小麦外源优异基因渗入育种的进展和趋势

转载自：小麦研究联盟（微信公众号）

远缘杂交渗入一直是小麦遗传改良的重要方法。依据近缘属种所含的基因组组成，引入外源优异基因的方式可以以同源重组（A/B/D基因组）或部分同源重组（A/B/D以外的基因组）的两种方式实现。连锁累赘、遗传补偿性和遗传背景是影响渗入育种利用的三个重要因素。近日，四川农业大学以”Theresurgence of introgression breeding, as exemplified in wheat improvement”为题，探讨了目前外源渗入育种利用方面的一些进展和趋势（https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00252）。

谈到渗入育种，不可避免的要涉及对小麦基因源的划分。基因源的概念最早由Harlanand de Wet (1971)提出，依据与受体作物有性杂交获得杂种的难易程度，通常被划分为1至3级基因库。在小麦族，基因源的划分更大程度上依据物种的基因组组成。根据渗入育种的方法和难易程度，本文以普通小麦为例，1级基因源指具有AABBDD基因组组成的物种，例如斯卑尔脱、莫迦小麦；2级基因源，指含有普通小麦部分基因组的物种，例如四倍体小麦和节节麦；3级基因源，指不含有普通小麦亚基因组的物种。另外还有一部分小麦族物种既含有小麦的亚基因组，又含有另外的基因组，例如Aegilop scylindrica(CD)、Ae. ventricosa(DN)以及小麦与其它物种形成的双二倍体如小黑麦（ABR, ABDR）,我们将这些物种划分为2/3级基因源。同时，由于转基因和体细胞杂交技术的发展，小麦族外的物种均可被划分到4级基因源。4级基因源还包括一些虽然与小麦可杂交，但是杂交后染色体快速丢失的物种，例如sorghum (Sorghumbicolor)、Job’s tears (Coixlacryma-jobi)和Cogon grass (Imperatacylindrica)。早期很多的外源基因转移工作聚焦三级基因源，这样的转移主要针对单个基因，特别是抗病基因。大部分小麦族物种与小麦之间不含有同源染色体（三级基因源）。这些含有有益基因的外源部分同源染色体（或片段）导入小麦背景后，通常不与小麦染色体间发生重组。因而，在导入外源目标基因的同时，外源染色体片段上可能还含有育种利用不利的基因，造成连锁累赘。操作染色体，减小外源染色体片段的大小是染色体工程的重要内容。目前染色体操控的策略越来越具有目标性和高效性，诱导小麦-外源部分同源染色体重组创制含目标基因的小片段易位系变得越来越容易。通过小麦-外源双单体为桥梁，定向创制臂间遗传平衡的罗宾逊易位，即易位发生在部分同源染色体之间（图1）。减数分裂过程中，成单的染色体（单价体）倾向于在着丝点区域断裂，如果断裂的小麦和外源染色体臂移动到相同的一极，两者可能会在着丝点重新融合形成臂间易位。这样的易位可能具有很好的遗传补偿性，可直接应用于小麦品种选育。

图1.双单体诱导罗伯逊臂间易位示意图。代换系与普通小麦杂交形成小麦-外源双单体，成单的小麦和外源染色体在减数分裂过程中，发生断裂-融合形成罗伯逊臂间易位。对于遗传补偿性不好和具有严重的连锁累赘易位系，可以进一步通过操控Ph1基因，诱导小麦-外源部分同源染色体重组，尽量减少外源遗传物质的比例。得益于高通量分子标记技术的发展，筛选操控Ph1基因诱导的部分同源重组染色体变得越来越容易。获得小麦-外源部分同源染色体臂内初级易位染色体后，以其为基础，利用两个断点（部分同源重组发生的地方）相距最近，易位方向相反，且均含有目标基因的初级易位系杂交，杂种F₁减数分裂过程中，两个易位外源片段重叠的部分可以同源重组，进而创制外源染色体片段大幅度减少的插入型小片段易位（图2）。

图2.利用6VS/6AS初级易位创制含Pm21基因插入型次级易位示意图。两个独立且均含有Pm21基因的6VS/6AS初级易位，其中一个6VS端部片段易位到了6AS端部，另外一个则相反；两者杂交形成杂种F₁，减数分裂过程中，由于两个初级易位重合的6VS染色体片段区域同源重组，形成含有Pm21基因的小片段插入型次级易位。图片依据Lukaszewski和Cowger（2017）描绘。近年来，对小麦二级基因源的利用越来越多。例如，人工合成小麦是利用二级基因源四倍体小麦和二倍体节节麦杂交加倍形成，基因组组成与普通小麦一致。人工合成小麦中的外源基因（等位位点），可以通过同源重组的方式导入小麦。已有的育种实践表明，这样的导入，可以实现整个基因组不同位置的渗入，多位点渗入对改良产量等受多基因控制的数量性状有明显作用。考虑到产量等性状的复杂性，小麦多倍化进化过程的遗传瓶颈，小麦多倍体基因组的缓冲性、单个位点的作用弱小等特殊性，多基因位点的同时渗入，具有特殊意义，对小麦二级基因源的利用应受到更多重视。顶交、双顶交-两段选择等是改良人工合成小麦遗传背景的有效育种策略。综合农艺性状差也是小麦-外源易位系的普遍特征，这是影响其育种利用的一个重要问题。因为地方品种中国春易于与近缘属种杂交，以其为基础创制了大量的工具材料。诸多的外源渗入系都以其为遗传背景创制。而中国春的综合农艺性状并不符合目前对品种的要求。改良人工合成小麦的育种策略同样适用于对这些易位系的改良利用。

参考文献：

[1] Hao M, Zhang L, Ning S, Huang L,Yuan Z, Wu B, Yan Z, Dai S, Jiang B, Zheng Y and Liu D (2020) The Resurgence ofIntrogression Breeding, as Exemplified in Wheat Improvement. Front. Plant Sci.11: 252.

[2] Harlan JR., de Wet JM J. (1971)Towards a rational classification of cultivated plants. Taxon 20: 509-517.

[3] Lukaszewski AJ, and Cowger C. (2017)Re-Engineering of thePm21transfer fromHaynaldia villosato bread wheat byinduced homoeologous recombination. Crop Sci. 57: 2590-2594.