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小籽粒撬动大产业：新研究可实现全机械化杂交水稻育种

  • 转自：返朴公众号
  • 日期：2024-06-28
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6月3日，Nature Plants杂志在线发表了中国科研团队一篇题为“Modulation of histone acetylation enables fully mechanized hybrid rice breeding”（调节组蛋白乙酰化可实现全机械化杂交水稻育种）的论文。有相应评论认为，“这一成果将彻底改变杂交水稻制种产业的游戏规则”。
作为这篇论文的共同第一作者和通讯作者，笔者很愿意将做出这一成果的大背景、过程及其意义跟大家一起分享。
杂交育种迄今还是劳动密集型产业
杂种优势 (heterosis, hybrid vigor) 是指杂合体在一种或多种性状上优于两个亲本的现象。例如不同品系、不同品种、甚至不同种属间进行杂交所得到的杂种一代往往比它的双亲表现出更强大的生长速率和代谢功能，从而导致产量或生物量的提高，或者增强了对生物胁迫和非生物胁迫的适应性和抗性。这是生物界普遍存在的现象。
杂种优势的利用依赖于杂交种子的规模化生产，而水稻属于雌雄同株、自花授粉的作物。1966年，袁隆平发表了一篇论文《水稻的雄性不育系》，正式提出了通过培育水稻“三系”，即雄性不育系、保持系和恢复系，以“三系配套”的方法来利用水稻杂种优势，规模化生产杂交水稻种子。其主要设计思路是以细胞质基因突变导致雄性不育的植株为母本（雄性不育系），以细胞核基因与雄性不育系完全相同但细胞质基因不同的可育植株（保持系）为父本进行杂交，实现雄性不育系种子的繁殖；再以能够恢复F1植株花粉育性的可育植株为父本（恢复系）与雄性不育系进行杂交，生产具有杂种优势的杂交种子。
1973年，在以袁隆平为代表的广大水稻育种工作者的共同协作下，中国籼型杂交水稻“三系”配套成功，并于1976年开始商业化。1981年，石明松提出了“两用不育系”的概念，即在特定的光温条件下表现出完全的雄性不育，可以作为母本与恢复系进行杂交，生产杂交种子，而在其它光温条件下表现为可育，能够实现自身繁殖。“两系法”省去了“三系法”中的保持系，简化了杂交水稻育种流程和种子生产程序，在杂交水稻育种中具有明显优势。1995年，两系法杂交水稻品种开始在中国大面积推广应用。杂交水稻的推广使中国水稻的单位面积产量提高了20%-30%，极大保障了粮食安全。
杂交水稻在中国的大规模应用已近50年，杂交水稻品种也在不断迭代，以实现更高的产量，更好的品质。然而，无论是“三系法”还是“两系法”，杂交水稻的大规模种植依赖于杂交种子的规模化生产，然而杂交种子的生产过程（制种）却极为繁琐，耗时耗力，属于劳动密集型产业。
传统杂交水稻制种过程主要包含：父本（恢复系）和母本（不育系）的间隔种植，通常是1-2行父本对应6-10行母本以提供足够的花粉；在父本和母本开花时进行人工赶粉以提高母本的结实率；在母本授粉完成后及时人工去除田间的父本，防止恢复系种子污染杂交种子；待母本成熟后收获杂交种子。
因此，传统的杂交稻制种过程属于精耕细作，高度依赖人工。在过去近50年里，杂交种子的生产一直遵循着这种模式，鲜有重大突破。然而，随着人力成本的不断攀升，杂交水稻的制种成本也不断增加，因此也加重了农民的用种成本，降低了杂交水稻种植的经济效益。同时，随着经济的发展和人口老龄化的到来，能够从事水稻制种行业的适龄产业工人越来越少。因此，亟需开发一种适用于杂交稻机械化的制种方法，以实现杂交水稻制种的产业升级。
寻找理想的调控籽粒大小基因
最近几十年里，水稻育种工作者们提出了多个机械化制种的策略，包括：(1)利用雄性不育系和恢复系之间颖壳颜色的差异，通过特定的光电色选设备将杂交种子从混合种子中分离出来；(2)将除草剂敏感的基因导入恢复系，或者在雄性不育系中导入除草剂抗性基因，在授粉完成后通过喷洒除草剂去除田间的恢复系； (3)利用雌性不育的恢复系，为雄性不育系授粉生产杂交种子，而雌性不育恢复系不会自交，无需去除恢复系种子。
这些方法都存在一定的技术缺陷，或者由于缺少优质的基因资源以至于相关品种的培育周期过长，因此尚未大规模应用。
此外，混合种植不育系和恢复系，利用不育系和恢复系种子大小的差异，通过筛子进行机械分选杂交种子和恢复系种子，是一个非常有前景的简单方法。目前已经在做的是，通过传统育种方式培育小粒不育系，并结合大粒恢复系进行机械分选水稻杂交种子。不过这种方法迄今仅有少量尝试，并没有大规模应用到杂交稻制种中。传统的育种方式也难以实现对现有品种的快速改良以适应杂交稻的机械化制种。
利用籽粒大小调控基因进行机械化杂交制种的困难和核心是寻找到理想的籽粒大小调控基因，培育理想的小粒不育系。理想籽粒大小基因功能缺失突变应该明显降低籽粒大小（尤其是粒厚）；该基因隐性突变导致小粒，通过母本影响籽粒大小；不影响株高、穗型、开花时间等重要农艺性状。同时小粒不育系对F1杂交种数目、杂交水稻产量不能有负面影响。到目前为止，尽管已经发现许多基因的功能缺失会导致水稻籽粒变小，但同时也会对其它农艺性状带来负面影响。因此，急需寻找理想籽粒大小调控基因，培育适合于机械化制种的小粒不育系。
实现杂交水稻制种的产业升级
为了寻找理想籽粒大小调控基因从而快速培育/改良适用于机械化制种的杂交水稻新品种，我们和中国水稻研究所朱旭东和王跃星团队、浙江理工大学汪得凯团队以及海南大学罗越华团队合作，通过两种策略培育理想的小粒不育系/保持系，挖掘理想的小粒基因。一是以小粒水稻品种为供体亲本，通过传统育种方式选育理想的小粒不育系/保持系，并进一步克隆潜在的理想小粒基因；二是通过遗传诱变筛选，寻找理想的小粒突变体，克隆理想的小粒基因，再通过分子设计育种培育理想的小粒不育系。这两种方式都犹如大海捞针，难度极大。
我们首先通过传统育种方式对天优华占的亲本进行了改良，培育理想的不育系/保持系以适应机械化制种的需求。天优华占属于籼型三系高产优质杂交籼稻品种，已累计推广种植超过3000万亩，其不育系、保持系和恢复系分别是天丰A、天丰B和华占。我们选择了一系列的小粒材料作为供体亲本与天丰B（三系杂交稻天优华占的保持系）进行杂交，最终只有通过小粒水稻品种XLG与天丰B杂交成功，培育了理想小粒保持系小巧B（XQB）和对应的理想小粒不育系小巧A（XQA），小巧A和小巧B植株的穗粒数和分蘖数也显著增加。
同时我们将大粒水稻品种Kuangsijiadi与华占进行杂交，培育了新的大粒恢复系大粒华占（DHZ），田间试验表明，小巧A和大粒恢复系能够实现杂交水稻的机械化制种，由于小巧A的穗粒数和分蘖数的增加，使得单位制种面积的杂交种子粒数提高了20%左右。田间实验表明，小巧A和大粒华占组合产生的杂交水稻的产量与对照组相比没有显著差异。
为了寻找小巧A和小巧B中的理想小粒基因，我们将小巧B与ZH11（一个具有完整基因组信息和高遗传转化效率的粳稻品种）进行杂交，在3号染色体上定位到了一个影响种子大小的主效位点GSE3，并最终通过QTL Mapping和MutMap方法鉴定到了GSE3基因。GSE3编码了一个GCN5相关的N-乙酰转移酶，能够影响组蛋白乙酰化水平。在小巧A、小巧B以及XLG品种中，GSE3基因第三个外显子中存在10bp序列的缺失，导致GSE3蛋白功能丧失。
与此同时，我们也进行了十几年的大规模诱变筛选，寻找理想的小粒突变体以培育理想的小粒不育系/保持系。我们筛选到了数百个籽粒变小的突变体，但绝大部分籽粒变小的突变体在一些关键农艺性状上存在缺陷，如植株矮小、穗子变小、分蘖数和穗粒数下降、叶子变小等。幸运的是我们从中鉴定到了一个籽粒明显变小，穗粒数和分蘖数增加的突变体m238。等位性测试表明，m238是GSE3的一个新等位基因。GSE3的功能缺失导致植株籽粒明显变小，分蘖及穗粒数显著增加，而其它农艺性状没有明显差异。生化实验和遗传学实验表明GSE3能够被转录因子GS2招募到共同调控的籽粒大小基因的启动子上，通过影响启动子区域的组蛋白乙酰化状态调控籽粒大小。
GSE3功能缺失导致植株的穗粒数以及分蘖数增加，是GSE3突变能够提高杂交种子数目的关键。然而，GSE3似乎并不通过GS2调控穗粒数以及分蘖数，GSE3如何调控穗粒数和分蘖数的分子作用机制还有待进一步的探索，这将有助于我们更深刻地理解水稻如何协同调控籽粒大小、穗粒数和分蘖数，从而为打破这种平衡实现水稻高产提供新的解决方案。
通过基因编辑天优华占的不育系天丰A（TFA）和保持系天丰B（TFB）的GSE3基因，我们创制了相应的理想小粒不育系TFAgse3-cri3和TFBgse3-cri3。田间实验表明，TFAgse3-cri3和大粒恢复系（大粒华占，DHZ）组合同样能够实现杂交水稻的机械化制种，单位面积的杂交种子数量提高了21.2%，并且不影响杂交水稻的产量。超级杂交稻Y两优900（YLY900）属于籼型两系杂交水稻品种，每公顷产量超过15吨，其不育系和恢复系分别是Y58S和R900。我们通过基因编辑Y两优900的不育系Y58S，创制了理想小粒不育系Y58Sgse3-cri4，在不改良恢复系R900的情况下，Y58Sgse3-cri4和恢复系R900组合同样能够实现杂交水稻的机械化制种，单位制种面积的杂交种子数量提高了38.3%，在实现机械化制种的同时也极大地提高了制种效率，并且不影响杂交水稻的产量。
接下来我们会挑选30-50个当前生产应用较广的杂交水稻组合进行实际的农业生产测试，通过基因编辑技术进行快速改良。在恢复系和雄性不育系之间的粒厚差异相对较大时，通过基因编辑雄性不育系中的GSE3基因以实现杂交水稻的机械化制种。在恢复系和雄性不育系之间的粒厚差异相对较小时，我们可以通过编辑雄性不育系中的GSE3基因和恢复系中的GS2基因或其它大粒基因，来实现杂交水稻的机械化制种。
在我们目前已有的测试中，GSE3基因的应用在实现机械化制种的同时，能够提高单位面积制种数目达20%-38%，意味着如果全面推广应用，则每年可节约几十万亩的制种用地。由于杂交种子的籽粒大小和粒重降低，因此更小体积和重量的杂交种子即可以满足当前的市场需求，杂交种子的运输及储存成本也就相应降低，从而带来更高的经济效益，实现杂交水稻制种的产业升级，更有利于杂交水稻的全球推广。

a，GSE3-GS2模块调控籽粒大小，GSE3正调控籽粒大小，GSE3能够被转录因子GS2招募到共同调控的籽粒大小基因的启动子上，通过影响启动子区域的组蛋白乙酰化状态调控籽粒大小。b，基因编辑不育系中的GSE3基因或者同时基因编辑恢复系中的GS2基因或者其它大粒基因能够快速实现杂交水稻的机械化制种。