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我國(guó)是世界上最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院近日公布的一組數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)小麥2020年播種面積比2011年減少2700萬畝，但產(chǎn)量增加1300萬噸。

“一減一增的背后，是科技的力量。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士萬建民表示，“十三五”期間，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院圍繞小麥全產(chǎn)業(yè)鏈開展了“藏糧于技”重大科研任務(wù)，新育成一批具有國(guó)際領(lǐng)先水平的小麥新品種，而且我國(guó)小麥品種全部為國(guó)產(chǎn)自育，也就是說不依賴進(jìn)口。

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“七大農(nóng)作物育種”重點(diǎn)專項(xiàng)，育成了廣適高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種“魯原502”和超強(qiáng)筋早熟抗病小麥新品種“濟(jì)麥44”，前者連續(xù)多年被列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和省級(jí)主導(dǎo)品種，畝產(chǎn)突破800公斤，累計(jì)推廣種植5738.5萬畝；后者獲得品種轉(zhuǎn)讓收益1500萬元，創(chuàng)全國(guó)最高紀(jì)錄。

克隆抗赤霉病關(guān)鍵基因

近5年來，我國(guó)主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究取得飛速進(jìn)展，在深度解析基因組結(jié)構(gòu)變異、基因組演變規(guī)律及關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因克隆等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列前瞻性、引領(lǐng)性、原創(chuàng)性重大突破。

在小麥領(lǐng)域，完成了小麥染色體級(jí)別的D基因組精細(xì)圖譜的繪制；克隆出小麥太谷核不育基因Ms2和抗赤霉病基因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(xué)》在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授馬正強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究論文。論文報(bào)道了小麥中一個(gè)極為重要的抗赤霉病基因Fhb1，為進(jìn)一步揭示小麥抗赤霉病的分子機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。

克隆小麥抗赤霉病基因Fhb1，為培育抗赤霉病小麥提供了有重要價(jià)值的基因和分子標(biāo)記。我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)選育出抗赤霉病小麥品系37個(gè)，這些品系被無償分發(fā)到全國(guó)58家育種單位，其中選育的6個(gè)品系進(jìn)入預(yù)試或區(qū)試，1個(gè)品系進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，具有巨大的推廣應(yīng)用潛力。

2020年4月，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專家孔令讓團(tuán)隊(duì)科研成果，他們從小麥近緣植物長(zhǎng)穗偃麥草中克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，揭示了其抗病分子機(jī)制；攜帶該基因的種質(zhì)材料被多家單位用于小麥育種，表現(xiàn)出穩(wěn)定的赤霉病抗性。

該研究成果共有5大創(chuàng)新：克隆了Fhb7抗赤霉病基因；發(fā)現(xiàn)Fhb7基因編碼的酶對(duì)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(zhuǎn)移的功能性證據(jù)；組裝了長(zhǎng)穗偃麥草基因組；發(fā)現(xiàn)Fhb7基因?qū)φ麄�(gè)鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。

“通過系列分子實(shí)驗(yàn)和高分辨質(zhì)譜分析，我們發(fā)現(xiàn)Fhb7編碼的蛋白可以打開嘔吐毒素的環(huán)氧基團(tuán)，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產(chǎn)生解毒效應(yīng)，明確并驗(yàn)證了其在小麥抗病育種中的穩(wěn)定抗性和應(yīng)用價(jià)值。”孔令讓告訴記者，患赤霉病的小麥會(huì)產(chǎn)生嘔吐毒素，而嘔吐毒素會(huì)嚴(yán)重污染食品和飼料，被世界衛(wèi)生組織確定為天然存在的極為危險(xiǎn)的食品污染物，可引起人畜中毒。同時(shí)，嘔吐毒素可在人和哺乳動(dòng)物體內(nèi)積累，誘發(fā)免疫功能下降等慢性毒副作用。

定向創(chuàng)制小麥新種質(zhì)

基因組編輯技術(shù)是創(chuàng)制突破性種質(zhì)資源、加速育種進(jìn)程的有效手段。目前，利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物功能基因組學(xué)研究和作物遺傳育種改良，但由于小麥為異源六倍體、基因組比較龐大且背景復(fù)雜，遺傳轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，目前仍然缺乏高效的小麥多基因編輯體系。

針對(duì)這些問題，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所小麥分子育種團(tuán)隊(duì)，通過載體元件的優(yōu)化改造，研發(fā)了高效的小麥多基因多靶點(diǎn)編輯技術(shù)體系。該團(tuán)隊(duì)2020年11月發(fā)表在《植物生物技術(shù)雜志》上的論文表明，他們對(duì)小麥基因編輯載體元件進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，構(gòu)建了3個(gè)小麥多基因編輯載體的核酶系統(tǒng)，能靶向A、B和D基因組上的8個(gè)位點(diǎn)。新技術(shù)體系使小麥的單基因三靶點(diǎn)同時(shí)編輯效率達(dá)到100%、雙基因六靶點(diǎn)同時(shí)編輯效率達(dá)到96%、三基因八靶點(diǎn)同時(shí)編輯效率達(dá)到37%。該研究結(jié)果標(biāo)志著我國(guó)的小麥基因編輯效率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

就在最近，我國(guó)科學(xué)家在小麥多基因編輯技術(shù)育種研究中再次取得突破。據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院4月9日消息，該院作物科學(xué)研究所科學(xué)家在線發(fā)表于《分子植物》的研究論文稱，他們利用多基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了冬小麥一代多個(gè)優(yōu)異等位基因聚合，并成功獲得了無需引入外源基因的小麥新種質(zhì)。

團(tuán)隊(duì)成員夏蘭琴研究員介紹，他們利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)開發(fā)出一種高效、通用的多基因編輯技術(shù)。團(tuán)隊(duì)以黃淮麥區(qū)大面積種植的小麥品種“鄭麥7698”為受體材料，用新技術(shù)對(duì)15個(gè)基因組位點(diǎn)進(jìn)行了同時(shí)編輯，分別獲得了2、3、4、5個(gè)基因編輯植株，最高編輯效率可達(dá)50%。無需引入外源基因，團(tuán)隊(duì)成功獲得聚合多個(gè)優(yōu)異等位基因的小麥新種質(zhì)。

這一高效、通用的多基因編輯體系的建立，將有助于促進(jìn)小麥分子生物學(xué)研究和復(fù)雜性狀形成的解析，定向創(chuàng)制小麥新種質(zhì)，加速育種進(jìn)程，為小麥和其他多倍體農(nóng)作物開展多基因聚合育種提供了重要的技術(shù)支撐。

奠定雜交小麥制種基礎(chǔ)

雜交小麥被認(rèn)為是今后全球小麥產(chǎn)量大幅提升的首選途徑之一。據(jù)預(yù)測(cè)，如果雜交小麥推廣應(yīng)用達(dá)到雜交水稻同等水平，我國(guó)每年可新增小麥產(chǎn)量約1200萬噸（按照中國(guó)小麥年總產(chǎn)量1.2億噸，10%增產(chǎn)來估算），將對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重大意義。

但是，同為世界三大糧食作物之一的小麥，受基因組復(fù)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著雜交小麥產(chǎn)業(yè)化推廣。

“雜交小麥?zhǔn)鞘澜缟衔ㄒ簧形撮_發(fā)的主要糧食作物雜交種業(yè)，產(chǎn)業(yè)潛力巨大，預(yù)計(jì)每年可創(chuàng)造市場(chǎng)價(jià)值 300億元—500億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)每年可達(dá)30億元—50億元，每年可減少灌水約10億立方米，減少經(jīng)濟(jì)投入約10億元。”北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員、北京雜交小麥工程技術(shù)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(chǔ)研究取得重要進(jìn)展：北京市農(nóng)林科學(xué)院科學(xué)家在國(guó)際上首次克隆出第一個(gè)小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，為中國(guó)雜交小麥體系構(gòu)建提供了理論依據(jù)；審定雜交小麥品種6個(gè)，實(shí)現(xiàn)了核心主產(chǎn)麥區(qū)審定品種“零”突破和國(guó)外審定品種“零”突破。

“普通小麥屬于嚴(yán)格的雌雄異花、自花授粉作物，尋找雄性不育遺傳資源是實(shí)現(xiàn)小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要途徑。基于小麥光溫敏雄性不育現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的小麥科學(xué)家從我國(guó)獨(dú)有的BS系列小麥光溫敏雄性不育種質(zhì)中，首次發(fā)現(xiàn)并克隆了第一個(gè)小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)子有1個(gè)關(guān)鍵堿基變異，引起TaSL1對(duì)TaTMS1啟動(dòng)子結(jié)合增強(qiáng)，能在低溫下降低TaTMS1表達(dá)；破壞TaTMS1與花藥葉綠體內(nèi)層TaATP1氧化區(qū)域互作，可導(dǎo)致能量供給出現(xiàn)紊亂和活性氧物質(zhì)大量產(chǎn)生，最終致使雄性不育。”北京市農(nóng)林科學(xué)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為構(gòu)建穩(wěn)定、高效、規(guī)模化的雜交小麥制種技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，也為我國(guó)雜交小麥體系構(gòu)建和成功利用不育系實(shí)現(xiàn)小麥雜種優(yōu)勢(shì)大面積應(yīng)用提供了支撐。