神奇！植物不育系也能繁殖後代「專利獎巡禮」

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小贏說：

糧食的重大需求使科技面向了以提高產量為目的的雜交育種，其中“雄性不育”為基礎是主要途徑之一。“雄性不育”乍一聽，太專業了。沒關係，今天小贏就借第二十二屆中國專利銀獎獲獎專案之一“保持和繁殖玉米隱性核不育系的方法”，來跟大家通俗地講一講“雄性不育”的故事。

本文涉及第二十二屆中國專利銀獎專案

專利號：ZL201510301333。2

專利名稱：一種基於 Ms7 基因構建的多控不育表達載體及其用於保持和繁殖玉米隱性核不育系的方法

專利權人：北京首佳利華科技有限公司，北京普華博奧生物科技有限公司

稻穀、小麥、玉米是我國主要的農作物，也是老百姓飯碗裡的主要糧食品種，其產量事關百姓根本利益，關係到國家糧食安全。在提高產量上，糧食領域也發生過革命性事件——綠色革命。且聽小贏來細說。

上世紀50年代初，農作物的育種，如水稻、小麥、玉米等從高稈變矮稈，解決了很多發展中國家的糧食自給問題，被稱為“第一次綠色革命”，而採用雜交育種技術培育的雜交水稻將中國農業帶向了第二次綠色革命，我們所熟知的我國 “雜交水稻之父”袁隆平就是“第二次綠色革命”時期的傑出代表。

圖1 超級雜交水稻引發“綠色革命”

簡單而言，雜交技術就是利用了雜種優勢，即雜合體在一種或多種性狀上優於它的兩個親本的現象，也就是說雜交所得到的雜種一代往往比它的雙親表現出更強大的生長速率和代謝功能。

圖2 雜交技術集父母優點於一身

對種子植物而言，授粉是產生種子必要前提。根據花粉來源的不同，種子植物的授粉方式包括自花授粉和異花授粉。玉米是既可以自花授粉又可以異花授粉的優良模式研究材料。

圖3 玉米授粉途徑

發揮雜種優勢的關鍵在於發展和利用可以控制的授粉系統，以防止自花授粉導致的自交衰退（也就是子代一代不如一代的困擾）。玉米是雌雄同株作物，鑑於玉米雄蕊花粉“四處留情”的特性，需要人工去雄或者機械去雄（就是把玉米的雄蕊給去掉），保證雌蕊按照自己的“意願”授粉。這種透過人工或機械的物理去雄方法費時費力，在去掉雄穗的同時也會連同去掉幾個葉片，降低了將近40%的種子產量潛力，並且容易因去雄不徹底而降低雜交種的純度，對種子品質造成較大影響。隨著科學技術的發展，人們嘗試採用化學殺雄的方式，但同樣存在花粉敗育不徹底的問題，導致授粉過程不能完全遵循雌蕊的“意願”。為了保護雌蕊的“合法權益”、克服物理去雄和化學去雄技術的不足，雄性不育技術應運而生。

圖4 雄性不育系的價值

那麼什麼是雄性不育技術呢？植物雄性不育（male sterility，MS）是指在高等植物中，雄性器官發育異常，不能產生有功能的雄配子（花粉），但雌性器官發育正常，能接受正常雄配子而受精結實，並能將該不育性遺傳給後代的現象。最初的雄性不育技術存在敗育不徹底、需特定恢復基因、易受病原體侵染和環境因素影響的缺陷，從而增加了制種風險，難以大量推廣應用。因此科學家為了突破現有技術的困境，提出了一種新的技術手段——“單隱性核不育基因控制的不育系技術”，該技術克服了上述缺陷，兼具穩定性和靈活性的優點，不僅免去繁瑣的人工去雄環節，降低生產成本，有效解決玉米雜交制種的勞動力短缺問題。更為重要的一點，多控不育技術還可以在多個玉米品種中實施，進而實現雜交育種的廣泛且大規模的應用。因此，多控不育技術被袁隆平稱為作物雜交育種的3G技術，有望創造農作物雜交育種的“第三次綠色革命”。

但這一技術有個重要缺陷，即利用常規的育種方法很難將植物的某些性狀穩定的遺傳，其關鍵瓶頸是相應不育系不能有效地繁殖。針對這一缺陷，美國杜邦先鋒公司提出了新型雜交種子生產技術體系—SPT（Seed Production Technology）系統，其巧妙利用植物隱性核不育基因，培育不含轉基因成分的不育系和雜交種（圖5）。

SPT 系統包括 3 個功能元件：1、可育基因：使不育植株可育；2、花粉致死基因：殺死轉基因花粉；3、種子色選基因：使轉基因的種子帶上顏色。

圖5 SPT系統非轉基因核不育系的繁殖

簡單來說，SPT系統中用於持續繁殖後代的植株（保持系）是一種經過改造的轉基因植株，其轉入了可育基因，因此可以產生約一半帶有轉基因元件的花粉，約一半不含轉基因的花粉。其中不含轉基因的花粉若落到了不育系植株的雌蕊上（異花授粉），則可得到不育系子代，實現了不育系傳遞後代的效果；若落在了保持系雌蕊上（自花授粉），則得到保持系子代，實現保持系的繁殖。對於轉基因的花粉，由於科學家在轉基因元件中加入了致死基因，只要花粉攜帶轉基因元件就會自然死亡，所以有效避免了轉基因元件的擴散造成的轉基因安全問題。

因此，SPT系統相對於傳統雄性不育技術不僅提高了子代育種的純度，降低制種成本，還能在一定程度上規避轉基因生物安全等問題，具有廣闊的應用前景。但是該技術仍然存在致命的薄弱點，由於花粉致死基因殺花粉不徹底，導致部分帶有轉基因的花粉仍舊能夠存活，不僅造成轉基因生物安全問題，還會造成子代育種的純度受到影響。

說了這麼多，掐重點，玉米雜交去雄經過了化學去雄、雄性不育技術材料去雄、SPT系統等多個階段，由於存在的多種缺陷導致現有的雄性不育技術仍然困難重重。

表1 去雄方法的發展歷程

今天要介紹的獲得這項銀獎的專利申請人團隊——以國內第三代雜交育種創始人北京科技大學萬向元教授為首的團隊（以下簡稱萬向元團隊），針對現階段去雄方式的缺陷，將該技術進一步完善，其利用圖位克隆技術分離到了一個重要可育基因，即玉米隱性細胞核雄性育性基因ZmMs7，該基因能夠恢復玉米雄穗徹底敗育株系ms7-6007的育性，這是關鍵所在。

為了降低帶有轉基因花粉的存活率，萬向元團隊建立了SPT系統的進階版——多控不育（Multi-Control Sterility， MCS）技術體系，這個體系包括4個功能元件：

i）育性恢復基因ZmMs7，

ii）兩個花粉失活基因（ZmAA和Dam），

iii）熒光篩選標記（DsRed2或mCherry），

iv）除草劑抗性基因Bar。

圖6 ZmMs7的T1代轉基因保持系的果穗表型

A為 Hi-Ⅱ果穗表型，B為 M0701-2 的果穗表型；C為在紅色熒光濾鏡下看到的 M0701-2 轉基因熒光種子，D為在紅色熒光濾鏡下看到的 M0701-2 非熒光種子。T1為第一代轉基因後代。（圖片來源：玉米雄性不育基因 MS7 的圖位克隆與應用，張丹鳳，《博士論文》）

除了核心技術——可育基因ZmMs7外，該多控不育（Multi-Control Sterility， MCS）技術體系改進點是：

1）增加至兩個花粉致死基因，進一步提升帶有轉基因的花粉死亡率；

2）新增可篩選功能，以草劑抗性基因作為篩選基因，實現在田間噴灑除草劑就可以可有效剔除“間諜”——帶有非轉基因花粉的後代的目的，提高子代育種的純度。

因此，萬向元團隊利用上述改進點雙層保障了子代的生物安全性和子代育種純度，只需根據所結玉米粒的顏色即可準確判斷並選用所需種子（圖6）。

並且透過多次檢驗，萬向元團隊證實其所創制的多控不育（Multi-Control Sterility， MCS）技術體系可以在多個玉米品種中實現相似的技術效果，表明多控不育技術有望在玉米雜交育種和制種中實現產業化應用。並且經過進一步分析，玉米育性恢復基因ZmMs7 還在水稻、擬南芥、大麥中有“兄弟”——同源基因，並且ZmMs7在其它主要農作物（如：高粱、大麥、油料作物等）中也預測到了同源基因。相信隨著生物技術的快速發展，科學家可以採用同樣的手段改造其它作物的Ms7“兄弟”位點，使得多控不育技術在其它主要作物中的應用成為可能。

基於雄厚的科研實力，萬向元團隊也相繼找到了其他可育基因，如Ms1、Ms30等，基於該多控不育技術及其相關應用，萬向元團隊已獲得多個授權專利，如Ms1及其應用（ZL201410381072。5； ZL201510298173。0）；Ms7及其應用（ZL201410338212。0； ZL201510301333。2）Ms30及其應用（ZL201410703778。9； ZL201510300778。9）等。由於相關分離得到的隱性核雄性不育突變基因在其它主要農作物（如高粱、大麥、油料作物等）中也廣泛存在“兄弟“基因，相信在生物技術快速發展的大背景下，超級非轉基因玉米、超級非轉基因大麥、超級非轉基因等等都將在不久的將來實現。

說到這裡，小贏已經把不育系繁殖後代的神秘面紗揭開了，謎底就在於多控不育技術，它既能更好地遵循了雌蕊的“意願”，加強了對於“不安分”花粉的殺傷力，又能保證殺傷力的穩定輸出，即不育特效能夠世代繁殖下去。相信在這一技術的支撐下，植物雄性不育技術能在雜交育種領域大顯神通，從而能為糧食增產提供有力的技術支撐。

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