中国杂交小麦研究成果总结论文

着丝粒是染色体的重要组成部分，介导染色体与微管的连接，并维持染色体的完整性。在种属间远缘杂种中，通常只有来自双亲一方的 着 丝粒特异组蛋白 CENH3 (centromere-specific histone 3) 基因表达并形成功能蛋白，整合到染色体特定的区域，形成有功能的着丝粒。双亲着丝粒序列差异过大，可能引起受体物种CENH3蛋白不能正常整合到外源染色体上形成功能着丝粒区，导致外源染色体的丢失（Sanei et al. 2011）。近日，张学勇团队在小麦族着丝粒DNA序列研究中取得新进展。该团队在以往的研究中发现，着丝粒反转录转座子 CRW 和 Quinta 是小麦着丝粒DNA组成的核心序列，与CENH3蛋白向小麦染色体的整合密切相关（Liu et al . 2008; Li et al . 2013）。

远缘杂交是作物品种改良的重要育种方法，在过去的100年里，科学家将小麦与许多近缘种属植物进行了杂交，其中十倍体长穗偃麦草（ Thinopyrum ponticum ）是小麦育种中利用最成功的多年生物种，从其杂种后代中选育出多个易位系和新品种，并培育出部分双二倍体（Partial amphiploids, 也称八倍体小偃麦）。 但在很长一段时间，小麦和十倍体长穗偃麦草容易出品种的机制并不清楚，为了揭示十倍体长穗偃麦草容易产生易位系的原因，该团队与中国科学院遗传发育所李振声院士团队合作，以着丝粒为切入点进行了研究，取得以下主要结论。

1.小麦着丝粒关键序列 CRW 和 Quinta 的同源序列广泛存在于十倍体长穗偃麦草着丝粒区，但后者也有一些比较特异的着丝粒序列

十倍体长穗偃麦草基因组复杂，其着丝粒序列也不清楚。研究人员首先通过Southern杂交发现小麦着丝粒反转录转座子 CRW 和 Quinta 广泛存在于十倍体长穗偃麦草及可能的祖先种中，但在大麦中确极少（图1）。随后，通过筛选着丝粒区特异BAC和ChIP-seq技术分别对二倍体拟鹅观草（十倍体长穗偃麦草供体之一， St ）和十倍体长穗偃麦草进行着丝粒分析。发现除 CRW 和 Quinta 外，还有三类反转录转座子（ Abigail ， Abia 和 CL135 ）和卫星重复序列（ CentSt ）也是偃麦草着丝粒特异序列（图2、图3）。                                    图1. CRW （A）和 Quinta （B）在小麦、偃麦草及其近缘野生种中的分布（上标代表不同小麦族植物的基因组）

图 2 . 十倍体长穗偃麦草(A)、中国春(B)、小麦-十倍体长穗偃麦草部分双二倍体小偃693(C)和小偃784(D) ChIP-seq着丝粒相关序列富集图

2.八倍体小偃麦中着丝粒DNA序列处于快速进化之中

为了探究从长穗偃麦草到八倍体小偃麦中着丝粒是否发生变化，研究人员通过免疫染色和DNA原位杂交对20世纪70年代培育的小偃693和小偃784进行了着丝粒序列分析，发现在小偃693中， CentSt 、 Abigail 和 Abia 仍保持与CENH3蛋白的结合能力，而在小偃784中 CentSt 和 Abia 基本丧失了这种能力，说明在 新物种中着丝粒DNA发生着快速的变化和调整，着丝粒DNA序列组成并非是永恒不变的（图3）。

图3. CRW ， Quinta ， Abigail ， CentSt ， Abia 和 CL135 在十倍体长穗偃麦草、中国春、小偃693和小偃784细胞核中与CENH3的共定位分析

3 .研究进一步证实E和St是十倍体长穗偃麦草的两个基本基因组

十倍体长穗偃麦草的基本基因组组成是一个争论了很久的问题。 张学勇等（Zhang et al. 1996）在GISH、八倍体杂种F1染色体配对、同工酶及分子标记的分析的基础上，提出用 StStEeEbEx 作为其基本基因组组成，但陈勤等认为十倍体长穗偃麦草只有 St 基因组片段，而无完整的 St 基因组, 并用 JJJJsJs 表示（ J≈E，S=St ）（Chen et al. 1998）。 通过同一细胞的多重原位杂交分析，张学勇团队发现在十倍体长穗偃麦草中， St 基因组染色体富含 Abigail 和 CentSt ，而 E 基因组染色体富含 CRW 和 Quinta ，进一步说明以 StStEeEbEx作为十倍体长穗偃麦草的基因组更为合理，也说明着丝粒区域是多倍体中亚基因组分化的核心区域 （图4）。

图4. Abigail ， Quinta ， CentSt 和 CRW 在十倍体 长穗偃麦草基因组中的分布

2019年6月30日国际著名植物学刊物《 The Pant Journal 》以题为“ Plasticity in Triticeae centromere DNA sequences: a wheat × tall wheatgrass (decaploid) model ” 在线发表了上述研究成果（）。 这项研究说明供体和受体着丝粒序列的同源性可能更有利于外源基因的成功转移，为今后远缘杂交育种中亲本的选择提供思路。 南京农业大学在读博士研究生赵静和中国农业科学院郝薇薇博士为共同第一作者，张学勇研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金31371622的资助。

主要参考文献：

Chen, Q., Conner, ., Laroche, A. and Thomas, . (1998) Genome analysis of Thinopyrum intermedium and Thinopyrum ponticum using genomic in situ hybridization. Genome , 41 , 580-586.

Li, B., Choulet, F., Heng, Y., Hao, W., Paux, E., Liu, Z., Yue, W., Jin, W., Feuillet, C. and Zhang, X. (2013) Wheat centromeric retrotransposons: the new ones take a major role in centromeric structure. Plant J , 73 , 952-965.

Liu, Z., Yue, W., Li, D., Wang, ., Kong, X., Lu, K., Wang, G., Dong, Y., Jin, W. and Zhang, X. (2008) Structure and dynamics of retrotransposons at wheat centromeres and pericentromeres. Chromosoma , 117 , 445-456.

Sanei, M., Pickering, R., Kumke, K., Nasuda, S. and Houben, A. (2011) Loss of centromeric histone H3 (CENH3) from centromeres precedes uniparental chromosome elimination in interspecific barley hybrids. Proc Natl Acad Sci USA , 108 , E498-505

Zhang, X., Dong, Y. and Wang, . (1996) Characterization of genomes and chromosomes in partial amphiploids of the hybrid Triticum aestivum x Thinopyrum ponticum by in situ hybridization, isozyme analysis, and RAPD. Genome , 39 , 1062-1071.

当然有， 我们课题主要开展杂交小麦和小麦单倍体育种新技术的研究与应用及大麦新品种选育等工作。育成通过审定的杂交小麦品种3个，即云杂3号、云杂5号、云杂6号；常规小麦品种1个即云麦52号；不育系2个，其中不育系K78S获农业部植物新品种保护授权。至2012年，杂交小麦累计在省内外（包括越南）种植万亩。

“利用我们的成套技术，可使杂交小麦制种纯度达到％以上。”今年6月通过验收的一项河南省重大科技专项研究，宣告我国在杂交小麦优异亲本创育、强优势组合配制和规模化高效制种等一系列关键技术领域获重大突破。

该项目主持人、河南科技学院小麦中心主任、省杂交小麦工程技术研究中心主任茹振钢教授说：“现已选育出8个不育系、16个恢复系，可以根据不同麦区亲本需求，创制出多个强优势组合。”

几株异常小麦，选育出杂交小麦不育系

在世界三大粮食作物中，美国最早育成杂交玉米，我国袁隆平率先育成杂交水稻。对杂交小麦的研究，国际开始于上世纪20年代，中国开始于上世纪60年代，却迟迟未能获得重大突破。

从事小麦研究30多年，茹振钢曾培育出“百农64”“矮抗58”“百农4199”等常规小麦品种。其中，“矮抗58”以其高产、优质、抗病等特性，成为中国小麦播种面积第一大品种，获2013年度国家科技进步奖一等奖。而最让他魂牵梦绕的，还是在杂交小麦育种上为中国赢得话语权！

然而，要破解这道“世界难题”＋“世纪难题”并非易事——

这主要有两方面的原因。一是父本母本基因越纯合，杂交优势越强。玉米、水稻的基因都是单一来源，是二倍染色体植物，容易纯合；小麦基因则有三个来源，是由原始小麦与两种草在上万年进化中自然杂交而成的六倍染色体，纯合难度无法想象。第二个原因，小麦和水稻一样都是雌雄同蕊，培育杂交优势品种，首先需要让母本不再自我授粉结实、“近亲结婚”；然后再给这些“靓妹”找到理想的“帅哥”。这就需要找到雄性不育系，让植株只具备“女性”性征。当年，袁隆平大海捞针般从海南岛发现了水稻的雄性败育类型野稗，才选育出杂交水稻的不育系。但是，小麦的“野稗”在哪里？

机遇总是垂青有准备的人！1998年，小麦扬花季节，在太行山下辉县的试验田里，茹振钢偶然发现五六株小麦明显异常。所有的小麦在自花授粉后颖壳都自动闭合、结籽了，而这几株小麦的颖壳却因为自花不育而一直张开着。“这也许就是我做梦都想找到的小麦的‘野稗’啊！杂交小麦的不育系就在这里！”这让茹振钢感到格外兴奋！

那一年，他从这几株异常的小麦植株上，仅仅收获了5粒种子。然而，就是这屈指可数的5粒种子，却要拉开改变世界的帷幕！

在对这些种子的繁殖、试验中，他发现长在温室中间的小麦植株不育率低，边缘的不育率高。他意识到，控制育性的基因对温度敏感，温度低则不育率高。

那么，是不是可以利用成熟期不同的多个品种，分别与不育株系杂交，从而培育出多个不育株系？

按照这样的科学设想，经过7年的不断探索、试验，2004年，茹振钢终于从繁杂的后代中选育出了一系列对光温敏感的不育系，把“半不育”变成了100％不育系（BNS），“啃掉”了杂交小麦研究中“最硬的那块骨头”。

全球“海选”恢复系，创制强优势组合

茹振钢培育出杂交小麦不育系的消息不胫而走，一直关注着杂交小麦研究的中科院遗传发育所研究员王斌、中国农业大学校长孙其信教授抱着极大兴趣，前去新乡实地考察。

从2004年到2006年，在小麦生长的每一个关键时刻，两位专家都同茹振钢一起，走进实验室，走进大田。年复一年近似苛刻的观察、质疑，他们最终认可了茹振钢的研究在黄淮麦区巨大的潜在价值。但是，在其它麦区也能适应吗？

在两位专家建议下，2006年10月4日，一个由河南科技学院与中国农大共同主持，山东农大、西北农大、河北农科院、湖南农大、四川农科院等单位顶级专家参与的联合攻关协议签订了。协议明确提出了一个为期10年、两个阶段的研究任务。就是利用茹振钢发明的小麦雄性不育育性转换系BNS新材料，在前5年主要研究BNS育性转换的生态区域及杂交小麦强势组合选配，后5年主要研究不育基因转育与杂交小麦成套推广技术。联合攻关组为此在河南、河北、山东、安徽、新疆建立了BNS型杂交小麦百亩高产示范基地11个，累计示范5000余亩。

在联合攻关期间，杂交小麦研究又先后被列入国家973计划和河南省重大科技专项，令人振奋的消息也不断传来！

BNS不育系无论是在黄淮麦区，还是在西南麦区、长江中下游麦区，都表现出低温完全不育，超过13摄氏度完全可育。更有科研意义的是，经过各地试配，找到了恢复力强的恢复系，尤其是山东农大高庆荣教授培育出的SN055525, 穗子大、茎秆坚韧、恢复性强，是直接可以利用的恢复源。在此基础上，他们跨越地缘，北至俄罗斯，南至智利，从海选到的200多个国内外优良小麦品种中，选择出杂交小麦亲本，“巧结良缘”。这些远缘的小麦杂交，创制出百强1201、杂优2号和THW09-1等3个BNS型杂交小麦强优势组合，较常规对照种增产15％—20％，平均亩产公斤，攻关田亩产达898公斤。其中2个杂交小麦新品种百强1201和THW09-1，已分别参加河南省预备试验和黄淮北片国家预备试验。

目前他们已选出8个不育系、16个恢复系。这些不育系与恢复系可随意配对，产生多个组合，需要优质小麦就配制优质小麦品种，需要大穗的就配制大穗的，需要多穗的就配制多穗的。孙其信表示，这是一项不仅在小麦主产区有极高的应用价值，而且可影响到其他区域的重要研究成果。

独创制种技术，杂交小麦走向“高铁时代”

两系法杂交小麦研究成功了，但如何生产出更多的杂交种，快速走向大田生产，仍有两大难题摆在茹振钢面前——

当时的制种产量已达316公斤／亩，但相对于日益提高的劳动力成本，产量仍然显得过低。这成了制约杂交小麦推广的一个瓶颈。此外，如何建立配套的两系杂交小麦防杂保纯技术和种子纯度快速检验技术，也是杂交小麦走向生产的必要条件。

最初，茹振钢按两行母本、一行父本的方法指导农民制种，但农民们嫌用工多，效益低；他又研究改进为父本母本按7∶3比例播种，但父本授粉后需要人工割除，劳动仍显繁杂。

面对实际操作中的困难，茹振钢两道难题一起解，独创制种技术，让杂交小麦育种走向“高铁时代”！

他发现了一种可以在父本授粉后自然死亡的“致死基因”，发明了专一性的基因调控剂来“弑父济母”。把这种基因引入父本后，再按∶比例，把母本父本充分掺匀，像大田生产一样混播。授粉后，喷洒这种基因调控剂，致敏感的父本枯萎。不仅再也不需要人工割除父本，减轻了劳动量；而且保证了种子纯度；还腾出空间，让有限的肥力集中供给母本生长，使制种产量从300多公斤提高到450公斤左右。

“现在，我们相当于掌握了杂交小麦的一个个‘元件’，根据需要把‘元件’组装起来，就能育出理想的优势小麦品种了！”茹振钢兴奋地说，“强优势BNS型杂交小麦组配与规模化高效制种技术研究”的成果，将把“工厂化”育种、制种变成现实，快速培育出一系列优良的杂交小麦品种！

科技部又将“小麦杂种优势利用技术与强优势杂交种创制”列入“十三五”国家重点研发计划，予以支持。

中国种子行业主要公司：隆平高科()、登海种业()、丰乐种业()、万向德农()、荃银高科()、苏垦农发()等

本文核心数据：小麦种业发展历程、制种面积、制种产量、需种量、发展趋势

国外小麦种业起步较早

小麦为我国三大粮食作物之一，为世界约40%人口的主粮。目前，我国小麦种子的自主率达100%。国外小麦种业起步较早，经历了抗病育种、植株矮化和品质改良三个阶段。19世纪80年代，英国、瑞典、荷兰等欧洲国家和加拿大、澳大利亚开始利用小麦杂交育种，主要目标是解决品种的条锈、叶锈等抗病性问题;植株矮化阶段，国际玉米小麦改良中心利用农林10号为矮源，育成一批同时具有抗倒伏、抗锈病、高产等突出优点的春小麦品种;品质改良阶段，英、美、加、澳等育种技术强国非常重视小麦品质改良，从谷物化学、品质检测、加工特性等方面助推品质育种发展。

我国小麦在大规模种植后，在各地形成了1万多个地方品种。20世纪20年代中期，我国引进国外品种300余份，从收集、引进、筛选、鉴定品种发展到杂交育种;之后我国陆续从国外引进小麦品种，对我国小麦育种工作起到推动作用;1972年前后，我国从国际玉米小麦改良中心引进了墨巴66、索罗拉64等春小麦品种除直接利用外，还广泛用作杂交亲本;2004年以来，我国对过去粮食增产导向进行种植结构调整，在不断提高单产以维持总产的同时，大力提高品质和生产效率;2017年，我国完成了对太谷核不育小麦显性细胞核雄性不育基因Ms2的克隆和功能解析，并逐渐形成了有效的轮回选择育种体系。

2020年冬小麦落实繁种面积1120万亩

2015-2020年，全国冬小麦落实繁种面积保持稳定。根据全国农技中心的调研数据，2020年，全国冬小麦落实繁种面积1120万亩，与2019年繁种收获面积持平，各主产区冬小麦长势好于常年，虽然条锈病、赤霉病等病虫害中等偏重发生的风险加大，但各地积极响应预警，开展综合防治，效果良好，进一步巩固了丰收基础。初步统计，2021年中国冬小麦制种面积达1074万亩。

我国冬小麦制种量保持在45亿公斤以上

2015年以来，我国冬小麦制种量保持在45亿公斤以上，2018年制种面积减少，冬小麦种子收获面积1128万亩，制种量41亿公斤，较2017年减少19%。2020年，全国冬小麦种子实际收获面积1114万亩，平均繁种单产441公斤/亩，实际收获种子49亿公斤，河北、安徽、山东等省受倒春寒天气影响，部分弱春性中早熟品种繁种产量有所下滑，其余省份小麦种子生产情况整体好于常年。初步统计，2021年冬小麦繁种产量超50亿公斤，种子质量良好。

据预测2022年冬小麦需种量达33-35亿公斤

从总需求看，据调度，尽管部分基地因灾减产，但根据2021年10月数据，冬小麦繁种收获仍超45亿公斤，超出需种量近10亿公斤。根据全国农技中心预测，2022年，全国冬小麦需种量达33-35亿公斤，春小麦需种量达亿公斤。

优质专用型、抗逆广适型、资源节约型品种或为重点发展方向

在加快生物组学、基因编辑、智能信息等新技术的创新和知识产权保护、全国优势小麦种业力量进行产学研结合、企业侧重于评价新品种的市场需求和生产应用的背景下，优质专用型、抗逆广适型、资源节约型品种或为重点发展方向。其中，针对小麦赤霉病、茎基腐病、穗发芽、倒春寒等极易造成重大生产隐患的灾害问题的技术攻关或为技术布局方向。

此外，通过突出优势产区和重点地区，优化品种和品质结构，布局合理、特点鲜明、效益显著的优质小麦优势种子产区将加快构建，小麦供种保障能力提升。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国小麦种植行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》