福建科研團隊在基因編輯育種方面取得重要進展——基因“裁縫”精準定制水稻“新衣”

　　近日，福建省農科院水稻研究所水稻抗逆分子育種團隊在國際知名期刊《BMC　Plant　Biology》發表最新研究成果。該研究利用多基因編輯技術，實現了糯性、香味、早熟等多種性狀快速同步定向改良，為創制雜交水稻優良恢復系材料開啟了快速通道。

　　恢復系是雜交水稻的父本。在雜交水稻制種中，它負責提供花粉，與母本——不育系雙劍合璧，共同孕育集雙親之長的雜交后代，重要性不言而喻。自20世紀70年代攻克雜交水稻難關以來，我國恢復系育種經歷了從依賴引種到自主選育的轉變，育成了一批優良品種，在生產上大規模推廣。

　　過去，為解決吃飯問題，恢復系育種更加追求高產；如今，消費端和生產端對水稻品質提出了更高要求。

　　“不僅高產，還要好種、好吃、吃得健康。”團隊首席育種專家、論文通訊作者張建福研究員說，恢復系具有糯性口感、香味顯著、生育期短等優勢，已成為主流育種方向。然而，市面上現有的恢復系品種同質化問題突出，難以滿足日益多元化的需求。

　　究其原因，在于改良難、周期長、成本高。在傳統經驗育種時代，要改良一個恢復系，需要選擇成千上萬份種質資源，歷經不計其數的雜交試驗、篩選鑒定，才可能選育出一個聚合多種優良基因的新品種。這個過程就像開盲盒，充滿了不確定性，一般來說育成一個恢復系品種需要5到8年時間。

　　有沒有更加高效的育種方法，精準設計出我們想要的品種呢？基因編輯技術應運而生。

　　現代分子生物學的發展，揭示了生命的遺傳密碼。DNA雙螺旋結構上，ATCG等不同堿基的排列組合，猶如程序代碼一樣，編譯出不同物種各自最鮮活的模樣。與轉基因技術需要導入外源基因不同，基因編輯技術就像一把神奇的剪刀，可以定向裁剪這些代碼，實現基因的敲除、敲入、替換。有了這把“魔剪”，育種家就可以化身基因“裁縫”，按圖索驥、量體裁衣，定制水稻的株高、生育期、耐旱性、香型等性狀。

　　過去，由于基因組的復雜性，傳統基因編輯技術一次通常只能編輯單個基因，否則容易造成基因組不穩定，效率有限。福建省農科院水稻研究所水稻抗逆分子育種團隊為此構建了高效多基因編輯體系，能夠同時編輯4到12個基因，從而實現多種優良性狀批量聚合，大大提高育種效率。去年，相關研究成果發表在國際知名學術期刊《Plant　Biotechnology　Journal》上。

　　如今，基因“裁縫”們又將這套技術應用于雜交水稻恢復系定向改良中。

　　這一次，編輯的對象是3個已經被破譯的功能基因：調控糯性的Wx基因、調控香味的Badh2基因、調控生育期的Se14基因。他們選擇恢復系“676”作為對象，利用基因"魔剪"一次性敲除上述3個基因，成功獲得具有優質糯性、香味和早熟性狀的突變材料。為了驗證基因編輯后的效果，研究團隊將其種植到田間，田間觀測結果顯示：這些經歷了基因“剪裁”后的突變材料，直鏈淀粉含量顯著下降，產生明顯香味，抽穗期顯著提前，同時單株產量也有所提升。

　　那么，這些定性改良后的恢復系，與不同的不育系組合后，后代表現又如何呢？研究團隊將其與不同的母本進行測交，結果同樣喜人，但在不同的雜交組合中表現有所差異。以調控生育期的Se14基因為例，它被敲除后，能夠在長日照條件下，促進RFT1基因的表達。RFT1是控制水稻開花的關鍵基因，當其表達被激活，自然能夠實現水稻更早抽穗揚花，縮短生育期。不過，生命基因組是極其復雜的網絡，一個功能基因表達與否、表達多少都會受到其他基因的影響。因此，敲除了Se14基因的恢復系，在不同雜交組合中，縮短生育期的效果并不相同。

　　“傳統育種手段偏重田間選擇，工作量大，周期漫長，基因編輯等現代育種技術則把選擇提前到了實驗室階段，有效縮小選擇范圍，顯著提高育種效率。”論文第一作者、福建省農科院水稻研究所魏毅東博士說，該研究實現了優質糯性、香味與早熟性狀的同步設計，將推進優異恢復系材料在雜交水稻制種與產業化育種中的應用，對推動我省水稻優質、高效、多抗新品種培育具有積極意義。（福建日報記者 張輝 通訊員 胡海明）