国宝小麦基因被成功克隆

编辑|知一

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太谷核不育小麦是“国宝级”种质资源，太谷核不育基因Ms2属于国宝级基因，通过生物技术将该基因用于杂种优势研究和杂交制种工程，将会对小麦等自花授粉作物的育种产生重大影响。

山东农业大学付道林教授领衔的科研团队在太谷核不育小麦研究方面取得重大突破，成功克隆太谷核不育基因并对其机理进行了探讨，为将来实现小麦等作物的杂交制种创造了条件。

2017年4月28日，国际著名学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)以《小麦Ms2基因编码的稀有蛋白导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)为题发表了他们的研究成果。

普通小麦属于自花授粉作物，由于遗传基础狭窄，致使高产杂交育种研究的难度非常大。寻找雄性不育遗传资源是攻克这个难关的首要问题。1972年，山西省太谷县农业技术员高忠丽在田间发现了一株天然雄性不育小麦。因这种小麦具备异花授粉习性，可用于小麦轮回选择育种，这一发现受到科学家高度重视，并被视为国宝级种质资源。

1979年，中国农科院邓景扬博士将这个小麦命名为“太谷核不育小麦”，并将其不育基因命名为Ta1（国际基因代码Ms2）。1981年，中国农科院组织了全国23个省市、44个单位的大协作团队，开展太谷核不育小麦的利用研究。到1994年，有关省市利用太谷核不育体系培育出20多个适应性强、高产和优质小麦品种，推广面积7000多万亩。

上世纪90年代末，中国农科院刘秉华研究员创制出“矮败小麦”，即矮秆和不育紧密连锁的太谷核不育小麦。中国农科院又组织了72家育种单位协同攻关矮败小麦育种技术。截至2009年，全国建立了矮败小麦轮选群体210个，育成品种42个，推广面积1.85亿亩，增产粮食56亿公斤。中国农科院牵头的“矮败小麦及其高效育种方法的创建与应用”因此荣获2010年度国家科学技术进步一等奖。

太谷核不育基因Ms2属于国宝级基因，通过生物技术将该基因用于杂种优势研究和杂交制种工程，将会对小麦等自花授粉作物的育种产生重大影响。为确保我国对该基因的自主知识产权，国家倾注了大量人力和物力来克隆Ms2基因。尽管由于小麦基因组庞大、基因复杂，Ms2基因克隆难度非常大，但有关科研人员几十年如一日锲而不舍地进行攻关。2000年山东农大孙兰珍团队在国家自然科学基金资助下，开展Ms2基因的遗传标记研究；2010年，付道林团队开始利用图位克隆技术进行Ms2基因的克隆研究，并在2014年得到国家自然基金资助。

小麦图位克隆成败的关键取决于能否建立目标基因所在区域的物理图谱。为此，付道林团队投资构建了“矮败鲁麦15”的基因组人工染色体文库，该文库包括大约70.6万个单克隆，覆盖普通小麦基因组5倍左右，是目前我国现存质量较好的普通小麦基因组人工染色体文库。他们还利用Ms2区域的特异标记，筛选并获得了8个阳性克隆，成功建立了Ms2区域的物理图谱，分离到太谷核不育Ms2基因,并通过反向遗传学验证了该基因的功能。

付道林团队研究人员还发现，该基因只在减数分裂时期的败育花药组织表达，其特异的时空表达模式受到一个反转录转座子（Taigu）的调控。进化分析显示，Ms2基因属于小麦族特有的进化产物，只在粗山羊草（Aegilops tauschii）和普通小麦等部分小麦族物种出现。遗传转化实验表明，Ms2不仅可以导致小麦雄性不育，也可以在大麦和短柄草（Brachypoidum）中引起雄性不育的表型。由此说明，Ms2不仅可以在小麦育种或生产中发挥重要作用，也很有可能在其他作物育种中具有重要意义。

山东农业大学一直是“太谷核不育小麦”全国大协作的主要参与单位。“七五”和“八五”攻关期间，育种专家孙兰珍教授带领团队开展太谷核不育辅助育种，并于1990年选育出冬小麦品种“鲁麦15号”。该品种在黄淮麦区累计推广面积6750余万亩，1995年荣获国家科技进步二等奖。山东农大作为主要成员也参加了矮败小麦的协同攻关项目，作为第六位完成单位荣获2010年度国家科技进步一等奖。近年来，山东农大利用太谷核不育小麦又分别选育出“山农22号”、 “山农23号”、 “山农24号”等新品种。

“太谷核不育小麦”是“国宝级”种质资源，太谷核不育基因同样是“国宝级”基因。据介绍，为保证我国的自主知识产权，山东农业大学已经针对该基因及其启动子的应用申请了国际和国内专利。付道林说：“让这个国宝级的小麦基因的知识产权掌握在中国人手中，是我们小麦育种研究人员义不容辞的责任。我们期待太谷核不育小麦Ms2基因的克隆和应用对提高我国小麦育种水平、提升种业国际竞争力发挥重要作用。”