杂交小麦被认为是今后全球小麦产量大幅提升的首选途径之一。据预测，如果杂交小麦推广应用达到杂交水稻同等水平，我国每年可新增小麦产量约1200万吨(按照中国小麦年总产量1.2亿吨，10%增产来估算)，将对保障国家粮食安全具有重大意义。但是，同为世界三大粮食作物之一的小麦，受基因组复杂性(异源六倍体)所限，却在杂交育种上停滞不前。同时，制种成本过高也大大制约着杂交小麦产业化推广。

日前，先正达集团北京创新中心资深研究员吕建团队与先正达种业科学家Tim Kelliher团队合作，在《自然-生物技术》杂志(Nature Biotechnology)发表了一篇研究成果，题为《Generation of paternal haploids in wheat by genome editing of the centromeric histone CENH3》(《基因编辑CENH3基因开发小麦父本单倍体诱导技术》)，开发出了作物上首个可商业化使用的父本单倍体诱导技术，可以大大减少三系小麦杂交制种成本。

三系小麦杂交制种技术(细胞质雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系)被广泛应用于杂交小麦生产。在使用小麦三系杂交制种技术时，需要将不是不育系的材料转换成细胞质雄性不育背景，这也是主要的成本之一，其本质是以新材料的细胞核替换原有细胞质雄性不育系材料的细胞核，同时保有原有不育系材料的雄性不育细胞质。

“这在动物细胞上很容易实现，可以显微操作将原来细胞的细胞核移出，或是通过化学处理将原有细胞核破环，然后将新细胞核移植到原有细胞质中。”吕建解释，但是，这一方法不能在作物上实现，是因为显微操作需要破坏植物细胞的细胞壁，而去除掉细胞壁的植物细胞很难再生成完整的植株。

再者，可用于父本单倍体诱导的基因很少，而拟南芥CENH3基因则被公认为是父本单倍体诱导技术突破的关键基因。拟南芥CENH3基因自2010年被报道以来，是目前最有效的一个父本单倍体诱导基因。但是，令人失望的是，众多科学家花费了巨大的努力尝试在其它作物上重复拟南芥上的成功，但是，都没有获得成功，以至于科学界一度怀疑CENH3的父本单倍体诱导是不是只能在拟南芥上实现。

吕建坚定的认为，CENH3的父本单倍体诱导可以在杂交小麦上实现。最终，他们证明了，CENH3的父本单倍体诱导可以在小麦上实现。

这是怎么实现的?

他和论文共同通讯作者Tim Kelliher一起，创新性地设计了一对gRNA，只在CENH3蛋白氮端引入回码突变，不改变羧基段和启动子区域，最终实现了7%的父本单倍体诱导率。由此，吕建团队开发了一步胞质不育系转育技术。这是基于父本单倍体技术，将不育系开发成父本单倍体诱导系，将待转育的材料诱导父本单倍体，再利用单倍体加倍技术实现胞质不育的一步转育;可以将原来需要的3年时间(7代)缩短到不到一年时间(2代)。因此，这项技术也被称为杂交小麦制种“一步到位”技术。

“选配小麦不育系材料非常耗时费力，传统方法需要多年多代的杂交选育，工作量巨大，育种成本很高。这项育种技术加速了种质改良，并降低了种子生产中的商品成本，可以快速实现不育系的创制，大大加速杂交小麦品种选育的进程，更快捷更省事，促进杂交小麦在更大范围的利用和推广。”吕建说。

更令人惊喜的是，研究人员实现了7%的父本单倍体诱导率，这也是世界范围内在真正作物上的首次报道。而此前，另外一个可用于父本单倍体诱导的基因是玉米上的ig1，但只能在玉米上产生1%的单倍体诱导率;同样的基因在小麦上更被证实不能诱导单倍体。

“7%的诱导率可以说是非常好的开端，是首次在小麦上成功实现，这个效率在商业上具有可操作性。”先正达北京创新中心总裁张蓓说，通过一步胞质不育系转育技术，可以加速小麦杂种优势的基础研究和杂交小麦的推广。

这项技术也为基于CENH3的HI-EDIT(单倍体基因编辑耦合技术)技术在多种作物中的应用铺平道路。同样的方法和设计模式或许可以推广到其它没有单倍体诱导系统作物上。“我们正在大豆，番茄上进行摸索。”吕建透露。

令业界期盼的是，这一突破拓展了单倍体诱导技术，不仅加速杂交小麦种质资源创制，实现“一步到位”，也对其他杂交作物产业化提振了信心，可以成为其它作物创新育种技术的“基石”。(记者 马爱平)

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