杂交小麦育种新突破
于洋
该项成果将极大地推进杂交小麦研发和产业化进程，为中国抢占世界小麦种业竞争制高点带来突破
杂种优势是指在生物界中，两个遗传基础不同的品种间或相近物种间进行杂交，其杂交子一代在生长势、生活力、适应性和产量等性状上优于双亲的现象。杂种优势现象在生物界普遍存在。比如将善于奔跑的马和耐力持久的驴杂交，产生的后代骡子就兼具双亲的优势。
杂交育种的关键技术
与马、驴不同的是，水稻和小麦采用自交的方式繁殖后代。以水稻为例，其每一朵花中既有雄蕊又有雌蕊，称之为“双性花”。每一朵小花中的雄蕊产生的花粉与这朵花的雌蕊授粉（白花授粉），最终花粉中的一个精细胞和雌蕊中的卵细胞结合发育成胚，另一个精细胞则与雌蕊中的中央细胞结合发育成胚乳，成熟的胚和胚乳再加上包裹它们的种皮和谷壳就构成了水稻种子，在适宜的条件下就可以萌发生长成一株新的水稻。我们食用的大米就是从水稻种子加工而来的。
由于水稻天然的“双性花”和“白花授粉”的特点，如何才能使一株水稻的花粉与另一株不同的水稻的雌蕊授粉、从而实现水稻杂交呢？科学家想到的办法是给水稻做“变性手术”，即人工去雄水稻杂交技术：人为地去掉一株水稻的雄蕊，获得只有雌蕊的雌水稻作为母本；而作为父本的水稻不用特别处理，因为含有精细胞的花粉很容易随风飘落到旁边已去掉了雄蕊的母本水稻的雌蕊上，授粉后就可以获得杂交水稻种子。可以说，杂交水稻技术最关键的地方便是“去雄”，产生雌水稻以备授粉。
目前，水稻杂交育种优势的利用分为两种技术途径：一是以核质互作花粉不育为技术核心的“三系法”杂交技术；二是以受自然光周期、温度调控的光温敏核不育为技术核心的“两系法”杂交技术。
杂交小麦缘何起步晚
人们很早就想将杂种优势现象应用到农作物生产中去，以培育兼具双亲优良农艺性状的杂交玉米、水稻和小麦。20世纪30年代，杂交玉米技术在生产中得到大规模应用；20世纪70年代，杂交水稻技术也于开始广泛应用。在世界三大粮食作物中，美国最早育成杂交玉米，中国科学家袁隆平率先育成杂交水稻。对杂交小麦的研究，国际上开始于20世纪20年代，中国开始于20世纪60年代，却一直未能取得突破以获得大规模应用。
小麦是全球范围内种植的主要粮食作物，是全球大约30%人口的主要食物来源。全球人口的持续增长、人们生活质量的改善要求小麦产量和品质随之提高。目前，提高小麦产量和品质最有效的途径，仍是依赖杂交育种技术，创制杂交小麦。
和杂交水稻相比，杂交小麦难度要大得多。小麦的技术难点在于它的基因组特别大，小麦基因组有17GB。人和水稻基因是两倍体，小麦是六倍体，好多基因有重复序列，分析起来要复杂得多，很容易碰壁。但杂交小麦的意义比杂交水稻更大：一是可以在全球应用，二是因为现在还没有规模化的杂交小麦技术。
第三代杂交技术
小麦是严格雌雄同花、自花授粉的作物，杂交小麦种子的研制严格依赖于小麦雄性不育系。因为缺乏规模制种的稳定雄性不育系，全球杂交小麦的种植面积只有总种植面积的约0.2%，而中国杂交水稻的种植面积占水稻总种植面积的比例已达50%以上。
小麦雄性不育突变体的筛选始于60年前，目前已经筛选到至少5个核基因编码的雄性不育突变体，被命名为Ms1-Ms5。其中Ms1和Ms5是隐性突变体，Ms2、Ms3和Ms4是显形突变体。克隆控制小麦雄性不育基因是利用雄性不育系规模化制备杂交小麦种子的关键。之前还没有任何一个小麦雄性不育基因被克隆，2017年开始才陆续有国内外科学家克隆出小麦Ms2和Msl基因。
2017年4月，山东农业大学付道林团队和中国农业科学院贾继增团队分别发表了小麦Ms2基因的克隆和鉴定工作。由于Ms2突变体的显性属性可以用于小麦育种，并成为一个重要育种工具，但它很难用于规模化小麦杂交制种。因此，小麦隐性雄性不育突变体基因的克隆，对创制规模化小麦杂交制种体系极为关键。
在2017年10月至11月的30天内，中外科学家同时对外界公布了小麦Msl基因的克隆和鉴定工作。首都师范大学马力耕团队和北京大学邓兴旺团队合作公布了克隆Msl基因的工作。
马力耕和邓兴旺的合作研究首先根据小麥基因组巨大和复杂的特点，建立了一种结合基因组学分析的MutMap技术和传统图位克隆方法、适合小麦基因克隆的新方法（命名为MutMap-based cloning），并利用该方法成功克隆了Msl基因，进一步通过转基因互补和多个Msl等位突变体的鉴定分析证实了所克隆到基因的正确性。
另一项克隆Msl基因的工作来自于澳大利亚阿德莱德大学、悉尼大学和美国杜邦先锋公司的合作。他们采用图位克隆方法克隆了小麦Msl基因，并通过分析证实克隆到的基因正确。国内外科学家团队几乎同时公布了克隆小麦Msl基因的工作，也相互印证了彼此工作的正确性。
小麦杂交育种种植优势现象已经被发现近百年，已有结果表明小麦杂交育种种植优势增产潜力可达30%。几十年来，人们利用细胞质雄性不育系或“化学杀雄”等手段做了多次创制小麦杂交制种体系的尝试。但由于细胞质雄性不育稳定性差、化学杀雄剂毒性和选择性差等不可克服的问题，使得目前为止还无法创制可行的规模化小麦杂交制种体系。Msl基因的克隆为进一步创制杂交小麦制种新技术打下了坚实的基础，使通过分子设计创制新的规模化小麦杂交制种技术成为可能。
中国科学家目前已完成了三个基因元件的构造：一个是控制种子颜色的基因，一个是使花粉失活的基因，还有一个最重要的是控制小麦育性的基因，这个基因也最难找。上述研究的重要意义在于克隆出作为第三代杂交育种技术的雄性不育基因Msl。最关键的元件已经备齐，有了这个基因，第三代杂交小麦的诞生就毫无悬念。笔者预计，2020年以后，这项技术可以真正地应用到实践中。endprint
