邓兴旺教授做客水木清华生命科学讲座讲述“主粮作物第三代杂交育种技术的研发与应用”
2021年5月27日下午，北京大学现代农业研究院院长、美国科学院院士邓兴旺教授做客“水木清华生命科学讲座”，为师生们做了题为“主粮作物第三代杂交育种技术的研发与应用”的学术报告。报告在清华大学生物新馆143会议室举行，由生命中心PI陈浩东主持。
图为邓兴旺教授讲座现场
首先，邓兴旺老师介绍了杂种优势普遍存在的现象及作物杂交育种技术的历史发展。目前，杂种优势已在玉米和水稻中得到了长期应用，但是在小麦中应用较少。玉米雌雄异花，去雄操作简单，杂交较为容易。水稻和小麦雌雄同花，人工去雄在杂交种子规模化生产中不可行。杂交育种要求母本在杂交种子生产时完全不育，而自身繁殖时又要可育，因此，解决雄性不育系的繁殖问题是杂交育种技术体系中的核心问题。现有的水稻杂交育种技术体系主要有两种：三系法（第一代）和两系法（第二代）。其中“三系法”是袁隆平先生等科学家研究成功的，通过不育系、保持系和恢复系的配套使用，实现大规模雄性不育系繁殖与杂交制种的方法。此后开发出的“两系法”相对简单，其核心是不育系在不同的温度或光照等条件下出现不同育性，可分别用于不育系繁殖与杂交制种。这些方法有力推动了杂交育种技术的大规模生产应用，然而，“三系法”由于恢保关系的制约，难以充分利用种质资源；“两系法”中不育系的育性受环境影响，杂交制种存在风险。
接下来，邓老师介绍了为克服已有杂交育种方法的不足，在水稻和玉米中建立的第三代杂交育种技术体系。由单个隐性核基因控制的雄性不育系通常称为普通核雄性不育系，该类不育系具有不育性状稳定、制种安全、配组自由等特点，但因无法大量繁殖不育系种子而不能应用。邓老师团队通过借鉴已有的雄性不育繁殖技术手段，成功地建立了保持和繁殖水稻隐性核雄性不育株系的技术体系，其核心包括三个方面：利用野生型MS基因恢复ms雄性不育株的育性；失活含有MS基因的花粉；用颜色蛋白筛选保持雄性不育系的种子。通过此技术体系获得的最终不育系和杂交种子都不含转基因元件，已申请国内国际发明专利二十多项，三个不育系已通过广东省鉴定，已选育出多个优质高产的组合参与品种的省审及国审。在介绍此部分工作时，邓老师回忆了袁隆平和谢华安两位院士对第三代杂交育种技术的肯定与支持，深切缅怀了袁先生！采用类似的方法，邓老师团队建立起了玉米第三代杂交育种技术体系，已经获得两个可进入环境释放申请的转化体。
最后，邓老师着重介绍了小麦第三代杂交育种技术的研发。要想建立小麦第三代杂交育种技术体系，就需要有小麦的雄性不育突变体，和能完成育性回复、花粉致死、种子标记三个功能的表达框。但在项目起步的时候，在六倍体的小麦中鉴定育性基因MS非常困难，只能先利用4E-ms杂交小麦生产体系，在具体育性基因未知的情况下，通过导入含有这些功能元件的附加染色体实现不育系的繁殖。研究本身获得成功，但附加的来源于长穗偃麦草的4E染色体在向后代传递时可能不如小麦内源染色体遗传稳定。因此，邓老师团队继续努力去获得基因明确的小麦核雄性不育突变体，方法包括收集或诱变获取核雄性不育突变体并鉴定基因，或者利用基因编辑技术敲除小麦中的育性基因获得雄性不育突变体。此外，克隆到在湖粉层表达的蓝粒基因并用于种子标记，种子分拣效率优于红色荧光标记。小麦育性基因及蓝粒基因的研究成果获得了多项国内国际专利授权。在获得这些基因信息的基础上，经过大量研究及比较，邓老师团队最终选用 “MS7-α-淀粉酶-蓝色种子”和“小麦核雄性不育突变体ms7”组合，创制出了性状稳定的小麦第三代杂交育种体系的保持系候选株系。全球三大粮食作物中，美国引领杂交玉米，中国引领杂交水稻，但还没有一个国家建立起大面积推广的“杂交小麦”育种体系。邓老师团队建立起的小麦第三代杂交育种新体系，可有效利用隐性核雄性不育突变体进行杂交制种，其最大优点是不育系的不育性状稳定和杂种优势利用率高。该育种体系的进一步完善有望推动杂交小麦的大面积商业化，具有划时代的意义。
图为师生认真听讲
邓兴旺老师的报告深入浅出，精彩纷呈，引发了参会师生们的深入思考。大家在报告结束后踊跃发言，积极表达观点，提出关于科学原理与应用前景等方面的问题，邓老师对大家的提问一一给出了细致的回答。
人物简介：
邓兴旺，北京大学现代农业研究院院长，北京大学现代农学院教授。1982年和1985年在北京大生物学系分别获得学士和硕士学位，1989年在美国加州大学伯克利分校获得博士学位，1992年起任耶鲁大学助理教授，2001年起任该校终身正教授，2003年起任冠名终身教授（Daniel C. Eaton Professor），2000-2014年兼任北京大学-耶鲁大学植物分子遗传学及农业生物技术联合中心主任，2003-2008年兼任北京生命科学研究所共同所长。2014年全职回国工作，2014-2018年任北京大学现代农学院筹备院长，2020年至今任北京大学现代农业研究院院长。
长期从事植物光形态建成和农业生物技术方面的研究工作，发表学术论文348篇，其中在Nature, Science, Cell上发表14篇，学术论文H-index（H指数）超过100，论文的总被引用次数超过30000。1995年获“美国总统青年学者奖”，2003年获世界植物分子生物学学会（ISPMB）最重要奖项Kumho奖，2013年入选美国科学院院士，2015年获得Nature杂志杰出导师奖。
