培育“新质生产力”——甘蓝青花菜课题组实现“一步法”创制芸薹属作物CMS系新突破

      近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所甘蓝类蔬菜遗传育种创新团队在国际著名期刊Nature Plants （IF=18.0）在线发表了题为：“One-step creation of CMS lines using a BoCENH3-based haploid induction system in Brassica crop”的科研论文。该研究通过对青花菜BoCENH3保守基因进行定向编辑（CRISPR-Cas9），在全球范围内率先创制了芸薹属作物父系单倍体诱导系（青花菜），利用该诱导系介导细胞质替换，实现了“一步法”创制细胞质雄性不育（Ogura CMS）系的新突破。

      杂种优势利用是大幅提高作物单产、品质、抗病抗逆性的重要途径。杂种优势利用通常是使用不同的纯系进行杂交，获得杂交种。在规模化杂交制种过程中，需要对母本进行花粉控制，常用的方法包括使用雄性不育（male sterility，MS）系、自交不亲和系、对母本进行去雄处理等。其中以雄性不育系为母本控制授粉，可大幅节约成本，提高杂交种质量。

      目前，甘蓝类蔬菜规模化杂交制种主要依赖于Ogura CMS（一种来自于萝卜的胞质雄性不育源）。因此，在育种过程中需要培育纯合自交系和CMS系。纯合自交系可以通过多代自交（5-7代）、小孢子培养（DH育种）等方法获得；而纯合细胞质雄性不育（CMS）系只能依靠杂交后连续多代回交（BCn_=5-8）获得，该育种过程具有周期长、投入高、效率低等缺点，难以适应未来全球高效育种和我国“新质生产力”的要求。

      继2022年获得DMP母系单倍体诱导系之后，本研究首次创制了青花菜父系单倍体诱导系。通过对BoCENH3基因α2-helix区域进行基因编辑，从中分别筛选出恢复移码突变体和框内缺失突变体。这些突变体在作为母本进行杂交的情况下，能够诱导产生父本单倍体，诱导效率约为1%。

图1. BoCENH3基因编辑及突变体结实表现

图2. 青花菜单倍体的表型

      本研究发现，使用青花菜BoCENH3突变体进行单倍体诱导过程中，仍遵循细胞质母系遗传的特点，即细胞质来自母本，细胞核来自父本。本研究再次创制了含Ogura CMS细胞质的BoCENH3单倍体诱导系，通过与青花菜自交系进行杂交，在后代中成功筛选出含Ogura CMS胞质的父系单倍体，经染色体加倍后，二倍体CMS系与父本表型一致，且保留了CMS材料败育彻底、蜜腺发达和杂交结实正常等优良特性，可直接作为CMS育种亲本使用。这是继20世纪通过细胞工程—体细胞杂交途径创制第一代芸薹属Ogura CMS材料以来又一开创性的成果。

图3. 一步法创制CMS系示意图

      该研究首次在芸薹属作物中开创了一种利用体内单倍体诱导技术介导细胞质替换的新途径，能够快速实现创制植物细胞质雄性不育系的育种目标，可将十字花科作物的自交系、DH系“一步法”转变为相应的雄性不育系（母本）。较传统育种方法，该生物育种途径具有极大地缩短育种年限（4-5年以上），节省大量劳动力，减少跨区域加代等优点，将极大地提升青花菜及其他十字花科作物育种效率，为传统育种向高效生物育种新方向稳步快速转变提供了一项核心技术支撑。

      Nature Plants同期发表了Ravi Maruthachalam博士的评论文章“Haploids fast-track hybrid plant breeding”，称该研究解决了杂交作物育种中的一个关键技术难题。

      该论文以中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一和通讯作者单位，韩风庆助理研究员、张小丽副研究员、硕士生刘宇香为本论文共同第一作者，李占省研究员为本论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程和国家现代农业产业技术体系的资助。

原文链接（URL）：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01643-w