近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所甘藍類蔬菜遺傳育種創(chuàng)新團隊在國際著名期刊Nature Plants （IF=18.0）在線發(fā)表了題為：“One-step creation of CMS lines using a BoCENH3-based haploid induction system in Brassica crop”的科研論文。該研究通過對青花菜BoCENH3保守基因進行定向編輯（CRISPR-Cas9），在全球范圍內率先創(chuàng)制了蕓薹屬作物父系單倍體誘導系（青花菜），利用該誘導系介導細胞質替換，實現了“一步法”創(chuàng)制細胞質雄性不育（Ogura CMS）系的新突破。

 

　　雜種優(yōu)勢利用是大幅提高作物單產、品質、抗病抗逆性的重要途徑。雜種優(yōu)勢利用通常是使用不同的純系進行雜交，獲得雜交種。在規(guī)模化雜交制種過程中，需要對母本進行花粉控制，常用的方法包括使用雄性不育（male sterility，MS）系、自交不親和系、對母本進行去雄處理等。其中以雄性不育系為母本控制授粉，可大幅節(jié)約成本，提高雜交種質量。

 

　　目前，甘藍類蔬菜規(guī)?；s交制種主要依賴于Ogura CMS（一種來自于蘿卜的胞質雄性不育源）。因此，在育種過程中需要培育純合自交系和CMS系。純合自交系可以通過多代自交（5-7代）、小孢子培養(yǎng)（DH育種）等方法獲得；而純合細胞質雄性不育（CMS）系只能依靠雜交后連續(xù)多代回交（BCn=5-8）獲得，該育種過程具有周期長、投入高、效率低等缺點，難以適應未來全球高效育種和我國“新質生產力”的要求。

 

　　繼2022年獲得DMP母系單倍體誘導系之后，本研究首次創(chuàng)制了青花菜父系單倍體誘導系。通過對BoCENH3基因α2-helix區(qū)域進行基因編輯，從中分別篩選出恢復移碼突變體和框內缺失突變體。這些突變體在作為母本進行雜交的情況下，能夠誘導產生父本單倍體，誘導效率約為1%。

 

　　本研究發(fā)現，使用青花菜BoCENH3突變體進行單倍體誘導過程中，仍遵循細胞質母系遺傳的特點，即細胞質來自母本，細胞核來自父本。本研究再次創(chuàng)制了含Ogura CMS細胞質的BoCENH3單倍體誘導系，通過與青花菜自交系進行雜交，在后代中成功篩選出含Ogura CMS胞質的父系單倍體，經染色體加倍后，二倍體CMS系與父本表型一致，且保留了CMS材料敗育徹底、蜜腺發(fā)達和雜交結實正常等優(yōu)良特性，可直接作為CMS育種親本使用。這是繼20世紀通過細胞工程—體細胞雜交途徑創(chuàng)制第一代蕓薹屬Ogura CMS材料以來又一開創(chuàng)性的成果。

 

　　該研究首次在蕓薹屬作物中開創(chuàng)了一種利用體內單倍體誘導技術介導細胞質替換的新途徑，能夠快速實現創(chuàng)制植物細胞質雄性不育系的育種目標，可將十字花科作物的自交系、DH系“一步法”轉變?yōu)橄鄳男坌圆挥担副荆?。較傳統(tǒng)育種方法，該生物育種途徑具有極大地縮短育種年限（4-5年以上），節(jié)省大量勞動力，減少跨區(qū)域加代等優(yōu)點，將極大地提升青花菜及其他十字花科作物育種效率，為傳統(tǒng)育種向高效生物育種新方向穩(wěn)步快速轉變提供了一項核心技術支撐。

 

　　Nature Plants同期發(fā)表了Ravi Maruthachalam博士的評論文章“Haploids fast-track hybrid plant breeding”，稱該研究解決了雜交作物育種中的一個關鍵技術難題。

 

　　該論文以中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所為第一和通訊作者單位，韓風慶助理研究員、張小麗副研究員、碩士生劉宇香為本論文共同第一作者，李占省研究員為本論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國農業(yè)科學院創(chuàng)新工程和國家現代農業(yè)產業(yè)技術體系的資助。

 

　　原文鏈接（URL）：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01643-w