IMGE：作物育种的“马良神笔”
左图为IMGE技术路线示意图，右图为利用IMGE技术成功编辑玉米B73自交系ZmLG1基因。中国农科院生物技术研究所供图
■本报记者 王方
高产优质新品种是农业的基石，但传统作物育种方法周期长、效率低。近年来，随着分子生物学、基因组学和农业生物技术的发展，新的作物育种技术不断涌现，一定程度上加快了作物育种进程、提高育种效率，但在实际应用中仍存在较多不足。
日前，中国农业科学院生物技术研究所和华南农业大学的科研人员研发出一种基于单倍体诱导介导的基因组编辑技术（Haploid-Inducer Mediated Genome Editing，IMGE），可精准加快作物育种进程。相关研究成果在线发表于《分子植物》。
来自生产的迫切需求
近几十年来，得益于作物品种改良和生产方式改变（如密植、农药、化肥的使用等），作物产量特别是单产的稳步提高，为世界人口增长发挥了关键的支撑作用。而作物品种改良主要得益于育种带来的遗传增益。
然而传统育种中优良性状的针对性改良，需要将带有该优良性状或基因的材料（供体亲本）与所需改良的材料（受体亲本）杂交，再经过6~8代的回交和繁琐的背景选择，最终从后代中选择出其他性状像受体亲本、同时携带来自于供体亲本优良性状或优异基因型的个体，用于下一步育种。
“这个过程费时费力、成本高昂，而且由于受制于表型观察准确性和遗传累赘效应等影响，所得的结果并不总能与预期目标相符。”第一作者和共同通讯作者、中国农科院生物技术研究所助理研究员王宝宝说。
因此，生产上迫切需要一种能够快速、精准改良作物性状的育种方法，以加快作物育种的进程。
近年来，一批新作物育种技术如双单倍体技术、转基因技术、分子标记辅助育种技术、基因组编辑技术、智能不育技术（第三代杂交水稻育种技术）、杂种优势固定技术（无融合生殖技术）等纷纷涌现。其中双单倍体技术在玉米、小麦、大麦、烟草等作物育种中已得到广泛应用。
双单倍体技术通过与单倍体诱导系杂交，可快速创制不受遗传背景限制的单倍体，再通过人工或自然染色体加倍成为双单倍体，实现在短时间内（两代）作物优良基因型的固定，从而创制纯合的自交系以用于杂交育种或品种选育。
而以CRISPR/Cas9为代表的基因组编辑技术是一种在体内高效精准改变DNA的方法，可用于农作物高产、抗逆、优质等性状精准改良，为将来农作物选育提供一种新的革新性工具。
“基因组编辑技术的应用涉及作物遗传转化，而目前大多数作物特别是优良的商业化品种的遗传转化效率很低。”通讯作者、华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室教授王海洋表示，一是受到育种材料遗传转化能力限制，其应用需经过漫长的回交转育和大量的群体选择，费时费力；二是去除CRISPR载体的过程增加了育种复杂性和成本。
一种巧妙的育种策略
在这份最新成果中报道的IMGE育种策略，巧妙地将单倍体诱导与CRISPR/Cas9基因编辑技术结合起来，实现二者优势互补，成功在两代内创造出经基因编辑改良的双单倍体（DH）纯系。
王宝宝介绍，“该方法可以打破之前基因编辑育种对材料遗传转化能力的依赖，并且创造出不含CRISPR载体的纯系。”
其技术路线是先将一个改良目标农艺性状的CRISPR/Cas9载体通过农杆菌介导的转化方法导入到一个可转化的玉米品种中（如ZC01、B104），然后通过杂交、Basta除草剂抗性筛（保证CRISPR/Cas9载体的成功导入）和特异性分子标记检测（保证含有单倍体诱导基因MATL）将该CRISPR/Cas9载体导入到单倍体诱导系中，创制出携带有CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系。
之后用携带有CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系做父本与任何商业化自交系（如B73）杂交，根据F1种子胚的颜色挑选出候选单倍体种子（单倍体种子胚是无色的，而正常受精得到的二倍体种子为紫色）。
再根据候选单倍体的田间表现确定单倍体植株（单倍体植株与正常二倍体野生型相比，往往个体较小，发育较慢）。然后根据目标性状的变化和CRISPR/Cas9的靶位点的测序分析筛选出靶位点被编辑的单倍体。
王海洋表示，这些单倍体可以通过人工或自然染色体加倍成为纯合的经过基因编辑（目标性状得到改良）的二倍体植株，从而实现在两代内创制性状改良的商业化玉米品种双单倍体，大大加速作物育种进程。
利用该技术，研究人员对玉米骨干自交系B73中的ZmLG1（控制叶夹角）和UB2（控制雄穗分枝数）两个基因进行成功编辑，获得这两个位点改造成功的单倍体，并通过自然染色体加倍，获得编辑成功的双单倍体。
继而通过分子标记检测和测序分析，确认CRISPR/Cas9介导的基因编辑的确发生在B73背景中。进一步的Basta抗性筛选和特异分子标记检测确认编辑的单倍体不含有CRISPR载体。
抒写育种新篇章
“利用这项技术可实现任何商业化品种中目的基因的高效精准改良，而完全不受基因型的限制，从而摆脱现有转基因技术和基因编辑体系受遗传背景的限制。”王海洋说道。
同时，IMGE的成功也为玉米单倍体形成机制的解析提供了强有力的证据，支持玉米单倍体是受精后父本的基因组丧失，而不是由未受精的卵细胞通过孤雌生殖形成的。
有意思的是，该技术与最近先正达公司科研人员提出的HI-Edit育种策略不谋而合。这两份完全独立的研究报道为该策略的可靠性提供进一步的佐证。
王宝宝表示：“近年来，新的基于油分含量和荧光蛋白标记等技术的工程化单倍体诱导系统已经被成功开发，而且目前基因编辑技术的发展已允许多个基因同时编辑，实现多性状同时改良。这些技术的结合将大大提升IMGE的效率和便捷性，使其在工程化育种方面大显身手。”
另一方面，单碱基编辑、基因替换、基因敲入技术等新型基因编辑技术的发展，将为IMGE技术的应用提供更强的灵活性、机动性和可控性。此外，除玉米、水稻外，小麦、大麦、烟草等植物中都已有成功的单倍体诱导系统的建立。
“可以预期，IMGE与它们的结合将大力推动新一代育种技术的发展和整合，大大加快现代化作物育种的进程和效率，使这些技术像‘马良神笔’一样在作物育种的征程上描绘出壮丽的华章。”王海洋表示。
鉴于该技术潜在的重大应用前景，《分子植物》编辑部在同期发表评述性文章，认为IMGE（或HI-edit）技术与之前报道的利用基因组编辑技术获得无融合生殖株系，从而实现杂种优势快速固定的技术有望成为一批新的下一代作物育种技术，预期在今后作物育种中得到广泛应用。
而就在IMGE技术相关论文刚刚发表4天左右，即有许多作物育种公司表现出极大的关注，纷纷跟该文作者咨询技术细节。王海洋表示，该技术的一大优势就是简单易行、容易操作，接地气，只要携带CRISPR载体的单倍体诱导系构建成功，之后便是育种家擅长的杂交、单倍体挑选等工作，对育种家来说没有门槛。
相关论文信息：DOI:10.1016/j.molp.2019.03.006
《中国科学报》 (2019-03-26 第5版 农业科技)
