基因编辑助力我国甘蔗育种踏上″速成路″

日期:08-27-2024

世界农化网中文网报道：近日，广东省科学院南繁种业研究所联合国内七家单位首次利用基因编辑创制甘蔗的单倍体诱导系，并通过体内杂交诱导甘蔗栽培品种，成功获得单倍体材料，该研究为甘蔗生物育种开辟新的路径。研究成果在国际著名植物学期刊Plant Physiology在线发表了题为″In vivo induction of sugarcane (Saccharum spp.) haploids by genome editing″的研究论文。

甘蔗（Saccharum spp. hybrids）是全球生物量最高的C4禾本科作物，也是主要的糖料作物和生物能源作物，占全球糖产量的80%以上和生物乙醇产量的40%。现代甘蔗栽培品种（2n = 100~130；x=10~13）是通过热带种（2n=80，x=10）和割手密（2n=40~128，x=8）种间杂交和回交，即甘蔗高贵化育种方法选育而成，属于高度杂合的异源多倍体和非整倍体。

然而，培育新的甘蔗品种绝非易事。目前，甘蔗新品种选育主要通过品种间杂交，存在遗传背景复杂，基因组巨大，亲缘关系较近等问题，通过常规品种间杂交育种难以在糖分、产量和抗性上取得新的重大突破。此外，由于甘蔗生育期长、开花诱导困难、花期不遇等问题，导致依赖于异花授粉的传统杂交育种方式周期长、效率低。采用双单倍体（double haploid，DH）技术，通过单倍体诱导和加倍，即可有效快速固定获得的所需性状并加快纯合植株的产生，可以加速选育进程，提高育种效率。

单倍体育种技术作为作物快速育种的突破性关键技术之一，已在水稻、玉米、小麦等重要粮食作物中取得重大进展。开展甘蔗单倍体育种，不仅简化甘蔗基因组，还能获得纯系甘蔗，是甘蔗育种技术创新的重大突破，将打破长期以来以常规杂交育种为手段的育种方式，有望提高甘蔗选育进程和效率。然而，利用基因编辑创制甘蔗单倍体诱导系迄今仍未取得突破。

甘蔗单倍体（Haploid）与多倍体（Polyploid）植株形态差异

该研究从甘蔗新台糖22号克隆获得单倍体关键诱导基因ScMTL，该基因在花粉中特异表达。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，设计了2个靶向ScMTL基因的gRNA序列（Target1和Target2），获得具有8个编辑事件的scmtl突变体，即为甘蔗诱导系T0-1。该诱导系与野生型新台糖22号相比，两者植株形态表型没有明显差异，但是诱导系T0-1花药长度更短，花粉萌发率和种子结实率显著降低。以诱导系T0-1为父本，与甘蔗品种粤糖94-128（2n = 109）进行杂交，经流式细胞仪、染色体计数和分子标记鉴定，证实甘蔗诱导系T0-1在2次独立的杂交实验中获得3株甘蔗单倍体材料（G21-1、G23-1和G23-2），单倍体诱导率在0.59 % ~ 0.96 %之间。与多倍体母本粤糖94-128植株相比，甘蔗单倍体材料表现出植株矮小、茎细、叶片短窄、花穗较短以及雄性不育等特性。研究结果还发现这3个甘蔗单倍体材料的染色体数存在差异，染色体条数为53~68。

甘蔗单倍体（Haploid）与多倍体（Polyploid）染色体数目比较