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小赢说：

粮食的重大需求使科技面向了以提高产量为目的的杂交育种，其中“雄性不育”为基础是主要途径之一。“雄性不育”乍一听，太专业了。没关系，今天小赢就借第二十二届中国专利银奖获奖项目之一“保持和繁殖玉米隐性核不育系的方法”，来跟大家通俗地讲一讲“雄性不育”的故事。

本文涉及第二十二届中国专利银奖项目

专利号：ZL.2

专利名称：一种基于Ms7基因构建的多控不育表达载体及其用于保持和繁殖玉米隐性核不育系的方法

专利权人：北京首佳利华科技有限公司，北京普华博奥生物科技有限公司

稻谷、小麦、玉米是我国主要的农作物，也是老百姓饭碗里的主要粮食品种，其产量事关百姓根本利益，关系到国家粮食安全。在提高产量上，粮食领域也发生过革命性事件——绿色革命。且听小赢来细说。

上世纪50年代初，农作物的育种，如水稻、小麦、玉米等从高秆变矮秆，解决了很多发展中国家的粮食自给问题，被称为“第一次绿色革命”，而采用杂交育种技术培育的杂交水稻将中国农业带向了第二次绿色革命，我们所熟知的我国“杂交水稻之父”袁隆平就是“第二次绿色革命”时期的杰出代表。

图1超级杂交水稻引发“绿色革命”

简单而言，杂交技术就是利用了杂种优势，即杂合体在一种或多种性状上优于它的两个亲本的现象，也就是说杂交所得到的杂种一代往往比它的双亲表现出更强大的生长速率和代谢功能。

图2杂交技术集父母优点于一身

对种子植物而言，授粉是产生种子必要前提。根据花粉来源的不同，种子植物的授粉方式包括自花授粉和异花授粉。玉米是既可以自花授粉又可以异花授粉的优良模式研究材料。

图3玉米授粉途径

发挥杂种优势的关键在于发展和利用可以控制的授粉系统，以防止自花授粉导致的自交衰退（也就是子代一代不如一代的困扰）。玉米是雌雄同株作物，鉴于玉米雄蕊花粉“四处留情”的特性，需要人工去雄或者机械去雄（就是把玉米的雄蕊给去掉），保证雌蕊按照自己的“意愿”授粉。这种通过人工或机械的物理去雄方法费时费力，在去掉雄穗的同时也会连同去掉几个叶片，降低了将近40%的种子产量潜力，并且容易因去雄不彻底而降低杂交种的纯度，对种子品质造成较大影响。随着科学技术的发展，人们尝试采用化学杀雄的方式，但同样存在花粉败育不彻底的问题，导致授粉过程不能完全遵循雌蕊的“意愿”。为了保护雌蕊的“合法权益”、克服物理去雄和化学去雄技术的不足，雄性不育技术应运而生。

图4雄性不育系的价值

那么什么是雄性不育技术呢？植物雄性不育（malesterility，MS）是指在高等植物中，雄性器官发育异常，不能产生有功能的雄配子（花粉），但雌性器官发育正常，能接受正常雄配子而受精结实，并能将该不育性遗传给后代的现象。最初的雄性不育技术存在败育不彻底、需特定恢复基因、易受病原体侵染和环境因素影响的缺陷，从而增加了制种风险，难以大量推广应用。因此科学家为了突破现有技术的困境，提出了一种新的技术手段——“单隐性核不育基因控制的不育系技术”，该技术克服了上述缺陷，兼具稳定性和灵活性的优点，不仅免去繁琐的人工去雄环节，降低生产成本，有效解决玉米杂交制种的劳动力短缺问题。更为重要的一点，多控不育技术还可以在多个玉米品种中实施，进而实现杂交育种的广泛且大规模的应用。因此，多控不育技术被袁隆平称为作物杂交育种的3G技术，有望创造农作物杂交育种的“第三次绿色革命”。

但这一技术有个重要缺陷，即利用常规的育种方法很难将植物的某些性状稳定的遗传，其关键瓶颈是相应不育系不能有效地繁殖。针对这一缺陷，美国杜邦先锋公司提出了新型杂交种子生产技术体系—SPT（SeedProductionTechnology）系统，其巧妙利用植物隐性核不育基因，培育不含转基因成分的不育系和杂交种（图5）。

SPT系统包括3个功能元件：1、可育基因：使不育植株可育；2、花粉致死基因：杀死转基因花粉；3、种子色选基因：使转基因的种子带上颜色。

图5SPT系统非转基因核不育系的繁殖

简单来说，SPT系统中用于持续繁殖后代的植株（保持系）是一种经过改造的转基因植株，其转入了可育基因，因此可以产生约一半带有转基因元件的花粉，约一半不含转基因的花粉。其中不含转基因的花粉若落到了不育系植株的雌蕊上（异花授粉），则可得到不育系子代，实现了不育系传递后代的效果；若落在了保持系雌蕊上（自花授粉），则得到保持系子代，实现保持系的繁殖。对于转基因的花粉，由于科学家在转基因元件中加入了致死基因，只要花粉携带转基因元件就会自然死亡，所以有效避免了转基因元件的扩散造成的转基因安全问题。

因此，SPT系统相对于传统雄性不育技术不仅提高了子代育种的纯度，降低制种成本，还能在一定程度上规避转基因生物安全等问题，具有广阔的应用前景。但是该技术仍然存在致命的薄弱点，由于花粉致死基因杀花粉不彻底，导致部分带有转基因的花粉仍旧能够存活，不仅造成转基因生物安全问题，还会造成子代育种的纯度受到影响。

说了这么多，掐重点，玉米杂交去雄经过了化学去雄、雄性不育技术材料去雄、SPT系统等多个阶段，由于存在的多种缺陷导致现有的雄性不育技术仍然困难重重。

表1去雄方法的发展历程

今天要介绍的获得这项银奖的专利申请人团队——以国内第三代杂交育种创始人北京科技大学万向元教授为首的团队（以下简称万向元团队），针对现阶段去雄方式的缺陷，将该技术进一步完善，其利用图位克隆技术分离到了一个重要可育基因，即玉米隐性细胞核雄性育性基因ZmMs7，该基因能够恢复玉米雄穗彻底败育株系ms7-的育性，这是关键所在。

为了降低带有转基因花粉的存活率，万向元团队创建了SPT系统的进阶版——多控不育（Multi-ControlSterility,MCS）技术体系，这个体系包括4个功能元件：

i）育性恢复基因ZmMs7，

ii）两个花粉失活基因（ZmAA和Dam），

iii）荧光筛选标记（DsRed2或mCherry），

iv）除草剂抗性基因Bar。

图6ZmMs7的T1代转基因保持系的果穗表型

A为Hi-Ⅱ果穗表型，B为M-2的果穗表型；C为在红色荧光滤镜下看到的M-2转基因荧光种子，D为在红色荧光滤镜下看到的M-2非荧光种子。T1为第一代转基因后代。（图片来源：玉米雄性不育基因MS7的图位克隆与应用，张丹凤，《博士论文》）

除了核心技术——可育基因ZmMs7外，该多控不育（Multi-ControlSterility,MCS）技术体系改进点是：

1)增加至两个花粉致死基因，进一步提升带有转基因的花粉死亡率；

2)添加可筛选功能，以草剂抗性基因作为筛选基因，实现在田间喷洒除草剂就可以可有效剔除“间谍”——带有非转基因花粉的后代的目的，提高子代育种的纯度。

因此，万向元团队利用上述改进点双层保障了子代的生物安全性和子代育种纯度，只需根据所结玉米粒的颜色即可准确判断并选用所需种子（图6）。

并且通过多次检验，万向元团队证实其所创制的多控不育（Multi-ControlSterility,MCS）技术体系可以在多个玉米品种中实现相似的技术效果，表明多控不育技术有望在玉米杂交育种和制种中实现产业化应用。并且经过进一步分析，玉米育性恢复基因ZmMs7还在水稻、拟南芥、大麦中有“兄弟”——同源基因，并且ZmMs7在其它主要农作物（如：高粱、大麦、油料作物等）中也预测到了同源基因。相信随着生物技术的快速发展，科学家可以采用同样的手段改造其它作物的Ms7“兄弟”位点，使得多控不育技术在其它主要作物中的应用成为可能。

基于雄厚的科研实力，万向元团队也相继找到了其他可育基因，如Ms1、Ms30等，基于该多控不育技术及其相关应用，万向元团队已获得多个授权专利，如Ms1及其应用（ZL.5;ZL.0）；Ms7及其应用（ZL.0;ZL.2）Ms30及其应用（ZL.9;ZL.9）等。由于相关分离得到的隐性核雄性不育突变基因在其它主要农作物（如高粱、大麦、油料作物等）中也广泛存在“兄弟“基因，相信在生物技术快速发展的大背景下，超级非转基因玉米、超级非转基因大麦、超级非转基因等等都将在不久的将来实现。

说到这里，小赢已经把不育系繁殖后代的神秘面纱揭开了，谜底就在于多控不育技术，它既能更好地遵循了雌蕊的“意愿”，加强了对于“不安分”花粉的杀伤力，又能保证杀伤力的稳定输出，即不育特性能够世代繁殖下去。相信在这一技术的支撑下，植物雄性不育技术能在杂交育种领域大显神通，从而能为粮食增产提供有力的技术支撑。

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