让国宝级小麦绽放异彩
文章作者:杨宇   |发布时间:2017-05-07
 

  4月28日,国际著名学术期刊  《自然通讯》(NatureCommu鄄nications)发表了中国科学家在小麦研究领域的一项重要成果,我校付道林教授领衔的科研团队在太谷核不育小麦研究方面取得重大突破,成功克隆太谷核小麦雄性不育基因并对其机理进行了探讨。
  这个消息一经报道,就受到媒体和农业科技界人士的广泛关注。84岁的小麦育种专家孙兰珍教授兴奋地对记者说:“我搞了几乎一辈子太谷核不育小麦研究利用,就盼着有人能克隆出它的基因、培育更多好品种。这项成果将为改善小麦育种手段,提高育种的针对性和成功率产生重要影响。”

神奇的国宝级小麦

     在育种界,太谷核不育小麦被视为国宝。它的价值,要从其独有的特性说起。
  杂种优势是生物界的普遍规律。上世纪六十年代,随着异花授粉作物玉米的杂种优势利用在全球普遍应用,自花授粉的主要粮食作物水稻、小麦的杂种优势利用也受到了人们高度重视,并在七十年代提上日程。由中国农科院牵头组织了全国大协作,在国内掀起了小麦杂种优势利用的群众运动,希望以此来突破各种难关。当时攻关主要的方向是利用各种方法寻找创造小麦三系(不育系、保持系、恢复系)配套,最后像玉米、水稻一样制造强优势的杂交种用于大面积生产。但由于小麦遗传基础极其复杂,属于异源多倍体,所以研究的困难相当大,长期停留在探索寻找阶段,未能找到高强变的杂交优势组合。
  1972年,山西太谷县农民技术员高忠丽在小麦大田中发现了一株雄性不育株,并用同一品系的普通可育株的花粉给它授粉保存下来。中国农科院邓景阳博士经过几年的深入观察、研究,于1979年确定,这个不育株是世界上在小麦中首次发现的天然突变体。它的细胞质育性正常,其不育性是受显性雄性不育单基因所控制,此基因位于4D染色体短臂上。他将这株不育小麦命名为太谷核不育小麦,将这个显性雄性不育基因命名为Ta1。1986年这个基因入册国际小麦基因目录,代码为Ms2。
  由于受这个基因控制,太谷核不育小麦的雄性器官没有生殖能力,甚至没有花粉,但其雌性器官是正常的,可与任何一个普通小麦品种杂交,其杂交一代(F1)总是要分离出一半不育株和一半可育株,可育株后代永远可育。这种小麦的雄性不育性彻底而稳定,可以用于多途径育种:一方面,它可作为不用人工去雄的理想杂交工具,大大减少繁杂的工序;另一方面,由于它具有自花授粉作物和异花授粉作物的双重特性,可在小麦育种中像异花授粉作物一样通过轮回选择等方法扩大遗传基础。这将带来小麦育种方法的重大革新。

育种攻关大协作

     太谷核不育小麦的发现引起了中央领导的高度重视,国家对这个种质资源进行保护并组织开展研究。1981年,按照时任国务院副总理方毅的指示,中国农科院组织了全国大协作,开展太谷核不育小麦的利用研究,这个项目被列入国家  “六五”“七五”重点攻关课题。到1994年,全国20多个省市已利用该技术体系培育出多抗、优质、高产小麦品种20多个,推广面积达7000多万亩。
  为更好地发挥太谷核不育小麦的优势,上世纪八十年代,中国农科院刘秉华研究员利用小麦显性矮秆基因Rht10标记太谷核不育性状,创制了既矮秆又雄性不育的小麦,并取名“矮败小麦”。这拓宽了太谷核不育小麦的研究范围、提高了利用效能。后来中国农科院又组织了全国72家小麦育种单位协同攻关矮败小麦育种技术。截至2009年,全国已建立矮败小麦轮选群体210个,育成品种42个,推广面积1.85亿亩,增产小麦56亿公斤。中国农科院主持完成的“矮败小麦及其高效育种方法的创建与应用”成果获2010年度国家科技进步一等奖。

学校育种成果了不起

     我校科研人员很早就利用不育株开展研究。孙兰珍回忆:“我是1970年开始这项工作的。我们不仅寻找不育株,也对群众送来的不育植株进行鉴定,还举办培训班,指导群众如何寻找和鉴别雄性不育株。”
  七十年代中期,孙兰珍团队也开始对太谷核不育小麦的利用进行探索。她介绍说:“虽然刚开始也走了一些弯路,但邓景扬先生的研究结果让我们更明确了方向,加快了育种进程。”
  她带领科研团队利用太谷核不育小麦作为育种工具和基础亲本进行了复合杂交,历经11年攻关,于1990年育成了鲁麦15号新品种。该品种1990年通过山东省农作物品种审定委员会审定、1998年通过全国农作物品种审定委员会审定。这是利用太谷核不育小麦在全国育成的第一个冬小麦品种。因其具有高产、抗病、早熟、耐晚播等优点,还适合麦棉、麦油套作,1992年至1994年在山东秋播面积均突破一千万亩,在其他黄淮麦区推广面积也相当大。这个面积,占了当时协作组所有小麦品种推广面积的半壁江山。鲁麦15号小麦新品种获得1995年度国家科技进步二等奖,并被列为“九五”国家科技成果重点推广计划项目。
  此外,孙兰珍团队还利用太谷核不育小麦创造出小麦显性矮秆、特大穗、实秆等一批具有特异性状的小麦优异新种质;利用轮回选择方法育成特早熟的“轮早1号”和“轮早3号”小麦品系;利用多次回交方法将太谷核不育基因转到二十多个优良品种中,其中包括“Ta1lu15”和“Ta1lu15矮败”作为进一步理论和应用研究的基础材料。
  随着矮败小麦全国协作组的创立,我校再次作为主要成员参加矮败小麦利用研究的协同攻关项目。2010年我校作为第六位完成单位荣获国家科技进步一等奖。
  近年来,我校科研团队继续发挥太谷核不育小麦高效育种体系的优势。高庆荣教授团队“十二五”期间审定了小麦优良品种  “山农22号”“山农23号”和“山农24号”;利用该体系,田纪春教授团队也选育了一批优质高产品系,其中4个参加国家和省级区域试验。

成功克隆国宝级小麦基因

     太谷核不育基因Ms2属于国宝级基因,可以通过生物技术将该基因用于杂种优势研究和杂交制种工程。为确保中国对该基因的自主知识产权,国家倾注了大量人力物力来克隆Ms2基因,但由于普通小麦基因组庞大、倍性复杂,导致Ms2基因的克隆举步维艰。2000年孙兰珍团队在国家自然科学基金资助下,开展Ms2基因的遗传标记研究。孙兰珍对记者说:“这个研究的难度相当大,尽管做了大量工作,也完成了基金委的任务,但距实现基因克隆的要求还有很大差距。”
  2008年,著名小麦遗传专家付道林教授受邀从美国来我校工作,成为“泰山学者”特聘教授。他是我校农学专业1994届毕业生,1999年获得中科院遗传研究所遗传学硕士学位,2003年获美国堪萨斯州立大学遗传学博士学位,2007年被评为美国加州大学戴维斯分校优秀博士后。他在小麦基因克隆研究方面有突出的成绩。
  付道林刚来校时主要从事小麦种质创新、抗病基因克隆和生物技术等方面的研究。后来听说孙兰珍老师长期从事太谷核不育小麦基因的利用研究,他主动联系孙老师,表示要为这项研究尽自己的力量。有这样一位高水平的专家做工作,孙兰珍十分高兴,积极提供了多年回交育成的太谷核不育小麦和研究资料。2010年,付道林团队开始利用图位克隆技术进行Ms2基因的克隆研究。
  小麦基因的图位克隆研究具有相当的不可预见性。在我国,利用这一技术获得小麦重要性状基因的报道屈指可数。为保证研究路线正确,付道林严格遵循小麦图位克隆技术要求,稳扎稳打、一步一个脚印向前推进。他们建立了Ms2基因的多个定位群体,开展了该基因的遗传定位。到2013年初,研究取得进展,将Ms2基因定位于一个非常小的遗传区间(0.8厘摩)。这个成功,让团队成员信心大增。2014年他们申请到国家自然科学基金资助。
  小麦上图位克隆成败的关键取决于是否能够建立目标基因所在区域的物理图谱。为此,付道林团队投资构建了“矮败鲁麦15”的基因组人工染色体文库,该文库包括大约70.6万个单克隆,覆盖普通小麦基因组5倍左右,是目前我国现存质量较好的普通小麦基因组人工染色体文库。他们还利用Ms2区域的特异标记,筛选并获得了8个阳性克隆,成功建立了Ms2区域的物理图谱,分离到太谷核不育Ms2基因,并通过反向遗传学验证了该基因的功能。
  他们在研究中发现,该基因只在减数分裂时期的败育花药组织表达,其特异的时空表达模式受到一个反转录转座子(Taigu)的调控。进化分析显示,Ms2基因属于小麦族特有的进化产物,只在粗山羊草和普通小麦等部分小麦族物种出现。遗传转化实验表明,Ms2不仅可以导致小麦雄性不育,也可以在大麦和短柄草中引起雄性不育。由此说明,Ms2不仅可以在小麦育种或生产中发挥重要作用,也很有可能在其他作物育种中具有重要意义。
  为确保我国对该基因自主知识产权的掌握,2015年6月,我校向国家知识产权局提交了该基因的发明专利申请。
  采访中,付道林对记者说:“这项成果能在较短的时间内完成,除了有正确的研究思路和方法、有丰富的基础材料,也得益于学校的大力支持和团队成员的精诚合作与奉献。”
  刚开始研究时,课题没有立项,学校在经费上给予了大力支持。他们还与优势团队开展联合,协同攻关。通过与张宪省教授合作,顺利完成了Ms2基因表达的组织原位杂交。研究生是科研的主力,为了完成研究,博士研究生倪飞一再延期毕业,在这个项目上整整做了6年研究;倪飞和齐娟两位同学密切配合,共同承担艰巨的基因克隆任务,并带领其他同学联合攻坚;王树芸等负责遗传转化、吕波等负责突变体分析、郝群群负责蛋白互作研究。科学的分工协作提高了研究的效率。
  谈起这些,付道林充满感动:“感谢学校和老师们的支持,感谢团队每一位成员的付出。”
  谈到今后的工作,付道林说:“我校在太谷核不育小麦研究上有很大优势,Ms2基因的获得,对于植物分子育种,尤其对于重要粮食作物的杂交制种意义重大。希望学校组织科研力量进一步拓展太谷核不育基因Ms2的应用空间,发挥自主知识产权基因的长远应用价值。”