國寶小麥基因被成功克隆

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國寶小麥基因被成功克隆

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太谷核不育小麥?zhǔn)恰皣鴮毤墶狈N質(zhì)資源，太谷核不育基因Ms2屬于國寶級基因，通過生物技術(shù)將該基因用于雜種優(yōu)勢研究和雜交制種工程，將會對小麥等自花授粉作物的育種產(chǎn)生重大影響。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)付道林教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)在太谷核不育小麥研究方面取得重大突破，成功克隆太谷核不育基因并對其機(jī)理進(jìn)行了探討，為將來實(shí)現(xiàn)小麥等作物的雜交制種創(chuàng)造了條件。

2017年4月28日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》(Nature Communications)以《小麥Ms2基因編碼的稀有蛋白導(dǎo)致禾本科植物的雄性不育》(Wheat Ms2 encodes for an orphan protein that confers male sterility in grass species)為題發(fā)表了他們的研究成果。

普通小麥屬于自花授粉作物，由于遺傳基礎(chǔ)狹窄，致使高產(chǎn)雜交育種研究的難度非常大。尋找雄性不育遺傳資源是攻克這個(gè)難關(guān)的首要問題。1972年，山西省太谷縣農(nóng)業(yè)技術(shù)員高忠麗在田間發(fā)現(xiàn)了一株天然雄性不育小麥。因這種小麥具備異花授粉習(xí)性，可用于小麥輪回選擇育種，這一發(fā)現(xiàn)受到科學(xué)家高度重視，并被視為國寶級種質(zhì)資源。

1979年，中國農(nóng)科院鄧景揚(yáng)博士將這個(gè)小麥命名為“太谷核不育小麥”，并將其不育基因命名為Ta1（國際基因代碼Ms2）。1981年，中國農(nóng)科院組織了全國23個(gè)省市、44個(gè)單位的大協(xié)作團(tuán)隊(duì)，開展太谷核不育小麥的利用研究。到1994年，有關(guān)省市利用太谷核不育體系培育出20多個(gè)適應(yīng)性強(qiáng)、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)小麥品種，推廣面積7000多萬畝。

上世紀(jì)90年代末，中國農(nóng)科院劉秉華研究員創(chuàng)制出“矮敗小麥”，即矮稈和不育緊密連鎖的太谷核不育小麥。中國農(nóng)科院又組織了72家育種單位協(xié)同攻關(guān)矮敗小麥育種技術(shù)。截至2009年，全國建立了矮敗小麥輪選群體210個(gè)，育成品種42個(gè)，推廣面積1.85億畝，增產(chǎn)糧食56億公斤。中國農(nóng)科院牽頭的“矮敗小麥及其高效育種方法的創(chuàng)建與應(yīng)用”因此榮獲2010年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。

太谷核不育基因Ms2屬于國寶級基因，通過生物技術(shù)將該基因用于雜種優(yōu)勢研究和雜交制種工程，將會對小麥等自花授粉作物的育種產(chǎn)生重大影響。為確保我國對該基因的自主知識產(chǎn)權(quán)，國家傾注了大量人力和物力來克隆Ms2基因。盡管由于小麥基因組龐大、基因復(fù)雜，Ms2基因克隆難度非常大，但有關(guān)科研人員幾十年如一日鍥而不舍地進(jìn)行攻關(guān)。2000年山東農(nóng)大孫蘭珍團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金資助下，開展Ms2基因的遺傳標(biāo)記研究；2010年，付道林團(tuán)隊(duì)開始利用圖位克隆技術(shù)進(jìn)行Ms2基因的克隆研究，并在2014年得到國家自然基金資助。

小麥圖位克隆成敗的關(guān)鍵取決于能否建立目標(biāo)基因所在區(qū)域的物理圖譜。為此，付道林團(tuán)隊(duì)投資構(gòu)建了“矮敗魯麥15”的基因組人工染色體文庫，該文庫包括大約70.6萬個(gè)單克隆，覆蓋普通小麥基因組5倍左右，是目前我國現(xiàn)存質(zhì)量較好的普通小麥基因組人工染色體文庫。他們還利用Ms2區(qū)域的特異標(biāo)記，篩選并獲得了8個(gè)陽性克隆，成功建立了Ms2區(qū)域的物理圖譜，分離到太谷核不育Ms2基因,并通過反向遺傳學(xué)驗(yàn)證了該基因的功能。

付道林團(tuán)隊(duì)研究人員還發(fā)現(xiàn)，該基因只在減數(shù)分裂時(shí)期的敗育花藥組織表達(dá)，其特異的時(shí)空表達(dá)模式受到一個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（Taigu）的調(diào)控。進(jìn)化分析顯示，Ms2基因?qū)儆谛←溩逄赜械倪M(jìn)化產(chǎn)物，只在粗山羊草（Aegilops tauschii）和普通小麥等部分小麥族物種出現(xiàn)。遺傳轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)表明，Ms2不僅可以導(dǎo)致小麥雄性不育，也可以在大麥和短柄草（Brachypoidum）中引起雄性不育的表型。由此說明，Ms2不僅可以在小麥育種或生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，也很有可能在其他作物育種中具有重要意義。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)一直是“太谷核不育小麥”全國大協(xié)作的主要參與單位。“七五”和“八五”攻關(guān)期間，育種專家孫蘭珍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展太谷核不育輔助育種，并于1990年選育出冬小麥品種“魯麥15號”。該品種在黃淮麥區(qū)累計(jì)推廣面積6750余萬畝，1995年榮獲國家科技進(jìn)步二等獎。山東農(nóng)大作為主要成員也參加了矮敗小麥的協(xié)同攻關(guān)項(xiàng)目，作為第六位完成單位榮獲2010年度國家科技進(jìn)步一等獎。近年來，山東農(nóng)大利用太谷核不育小麥又分別選育出“山農(nóng)22號”、 “山農(nóng)23號”、 “山農(nóng)24號”等新品種。

“太谷核不育小麥”是“國寶級”種質(zhì)資源，太谷核不育基因同樣是“國寶級”基因。據(jù)介紹，為保證我國的自主知識產(chǎn)權(quán)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)已經(jīng)針對該基因及其啟動子的應(yīng)用申請了國際和國內(nèi)專利。付道林說：“讓這個(gè)國寶級的小麥基因的知識產(chǎn)權(quán)掌握在中國人手中，是我們小麥育種研究人員義不容辭的責(zé)任。我們期待太谷核不育小麥Ms2基因的克隆和應(yīng)用對提高我國小麥育種水平、提升種業(yè)國際競爭力發(fā)揮重要作用。”