全靠國產自育品種 小麥播種面積減少產量卻大增
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糧食育種科技系列報道③
雜交小麥是世界上唯一尚未開發的主要糧食作物雜交種業，產業潛力巨大，預計每年可創造市場價值300億元—500億元，國內市場每年可達30億元—50億元，每年可減少灌水約10億立方米，減少經濟投入約10億元。
趙昌平 北京市農林科學院研究員、北京雜交小麥工程技術研究中心主任
我國是世界上最大的小麥生產國和消費國。中國農業科學院近日公佈的一組數據顯示：我國小麥2020年播種面積比2011年減少2700萬畝，但產量增加1300萬噸。
“一減一增的背後，是科技的力量。”中國農業科學院副院長、中國工程院院士萬建民表示，“十三五”期間，中國農業科學院圍繞小麥全產業鏈開展了“藏糧於技”重大科研任務，新育成一批具有國際領先水平的小麥新品種，而且我國小麥品種全部爲國產自育，也就是說不依賴進口。
“十三五”國家重點研發計劃“七大農作物育種”重點專項，育成了廣適高產穩產小麥新品種“魯原502”和超強筋早熟抗病小麥新品種“濟麥44”，前者連續多年被列爲農業農村部和省級主導品種，畝產突破800公斤，累計推廣種植5738.5萬畝；後者獲得品種轉讓收益1500萬元，創全國最高紀錄。
近5年來，我國主要農作物基因組學研究取得飛速進展，在深度解析基因組結構變異、基因組演變規律及關鍵農藝性狀基因克隆等基礎研究領域取得了一系列前瞻性、引領性、原創性重大突破。
在小麥領域，完成了小麥染色體級別的D基因組精細圖譜的繪製；克隆出小麥太谷核不育基因Ms2和抗赤黴病基因Fhb1、Fhb7，大幅度提高了小麥育種效率。
2019年6月10日，《自然·遺傳學》在線發表了南京農業大學教授馬正強團隊的研究論文。論文報道了小麥中一個極爲重要的抗赤黴病基因Fhb1，爲進一步揭示小麥抗赤黴病的分子機制奠定了重要基礎。
克隆小麥抗赤黴病基因Fhb1，爲培育抗赤黴病小麥提供了有重要價值的基因和分子標記。我國科學家已經選育出抗赤黴病小麥品系37個，這些品系被無償分發到全國58家育種單位，其中選育的6個品系進入預試或區試，1個品系進入推廣應用階段，具有巨大的推廣應用潛力。
2020年4月，《科學》雜誌在線發表山東農業大學農學院教授、山東省現代農業產業技術體系小麥創新團隊首席專家孔令讓團隊科研成果，他們從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤黴病主效基因Fhb7，揭示了其抗病分子機制；攜帶該基因的種質材料被多家單位用於小麥育種，表現出穩定的赤黴病抗性。
該研究成果共有5大創新：克隆了Fhb7抗赤黴病基因；發現Fhb7基因編碼的酶對嘔吐毒素具有解毒功能；提供了真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據；組裝了長穗偃麥草基因組；發現Fhb7基因對整個鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。
“通過系列分子實驗和高分辨質譜分析，我們發現Fhb7編碼的蛋白可以打開嘔吐毒素的環氧基團，並催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產生解毒效應，明確並驗證了其在小麥抗病育種中的穩定抗性和應用價值。”孔令讓告訴記者，患赤黴病的小麥會產生嘔吐毒素，而嘔吐毒素會嚴重污染食品和飼料，被世界衛生組織確定爲天然存在的極爲危險的食品污染物，可引起人畜中毒。同時，嘔吐毒素可在人和哺乳動物體內積累，誘發免疫功能下降等慢性毒副作用。
定向創制小麥新種質
基因組編輯技術是創制突破性種質資源、加速育種進程的有效手段。目前，利用CRISPR/Cas9系統介導的基因編輯技術已廣泛應用於農作物功能基因組學研究和作物遺傳育種改良，但由於小麥爲異源六倍體、基因組比較龐大且背景複雜，遺傳轉化效率相對較低，目前仍然缺乏高效的小麥多基因編輯體系。
針對這些問題，山東省農業科學院作物研究所小麥分子育種團隊，通過載體元件的優化改造，研發了高效的小麥多基因多靶點編輯技術體系。該團隊2020年11月發表在《植物生物技術雜誌》上的論文表明，他們對小麥基因編輯載體元件進行了系統優化，構建了3個小麥多基因編輯載體的核酶系統，能靶向A、B和D基因組上的8個位點。新技術體系使小麥的單基因三靶點同時編輯效率達到100%、雙基因六靶點同時編輯效率達到96%、三基因八靶點同時編輯效率達到37%。該研究結果標誌着我國的小麥基因編輯效率達到國際領先水平。
就在最近，我國科學家在小麥多基因編輯技術育種研究中再次取得突破。據中國農業科學院4月9日消息，該院作物科學研究所科學家在線發表於《分子植物》的研究論文稱，他們利用多基因編輯技術，實現了冬小麥一代多個優異等位基因聚合，併成功獲得了無需引入外源基因的小麥新種質。
團隊成員夏蘭琴研究員介紹，他們利用CRISPR/Cas9系統開發出一種高效、通用的多基因編輯技術。團隊以黃淮麥區大面積種植的小麥品種“鄭麥7698”爲受體材料，用新技術對15個基因組位點進行了同時編輯，分別獲得了2、3、4、5個基因編輯植株，最高編輯效率可達50%。無需引入外源基因，團隊成功獲得聚合多個優異等位基因的小麥新種質。
這一高效、通用的多基因編輯體系的建立，將有助於促進小麥分子生物學研究和複雜性狀形成的解析，定向創制小麥新種質，加速育種進程，爲小麥和其他多倍體農作物開展多基因聚合育種提供了重要的技術支撐。
奠定雜交小麥制種基礎
雜交小麥被認爲是今後全球小麥產量大幅提升的首選途徑之一。據預測，如果雜交小麥推廣應用達到雜交水稻同等水平，我國每年可新增小麥產量約1200萬噸（按照中國小麥年總產量1.2億噸，10%增產來估算），將對保障國家糧食安全具有重大意義。
但是，同爲世界三大糧食作物之一的小麥，受基因組複雜性所限，曾在雜交育種上停滯不前。制種成本過高也大大制約着雜交小麥產業化推廣。
“雜交小麥是世界上唯一尚未開發的主要糧食作物雜交種業，產業潛力巨大，預計每年可創造市場價值 300億元—500億元，國內市場每年可達30億元—50億元，每年可減少灌水約10億立方米，減少經濟投入約10億元。”北京市農林科學院研究員、北京雜交小麥工程技術研究中心主任、首席專家趙昌平告訴記者。
“十三五”期間，北京雜交小麥基礎研究取得重要進展：北京市農林科學院科學家在國際上首次克隆出第一個小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，爲中國雜交小麥體系構建提供了理論依據；審定雜交小麥品種6個，實現了核心主產麥區審定品種“零”突破和國外審定品種“零”突破。
“普通小麥屬於嚴格的雌雄異花、自花授粉作物，尋找雄性不育遺傳資源是實現小麥雜種優勢利用的重要途徑。基於小麥光溫敏雄性不育現象的發現，我國的小麥科學家從我國獨有的BS系列小麥光溫敏雄性不育種質中，首次發現並克隆了第一個小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，發現其啓動子有1個關鍵鹼基變異，引起TaSL1對TaTMS1啓動子結合增強，能在低溫下降低TaTMS1表達；破壞TaTMS1與花葯葉綠體內層TaATP1氧化區域互作，可導致能量供給出現紊亂和活性氧物質大量產生，最終致使雄性不育。”北京市農林科學院雜交小麥中心副研究員張勝全說，小麥雄性不育基因的克隆爲構建穩定、高效、規模化的雜交小麥制種技術奠定了基礎，也爲我國雜交小麥體系構建和成功利用不育系實現小麥雜種優勢大面積應用提供了支撐。