原創(chuàng) Cell Press CellPress全科學 

作為全球三大主糧之一，小麥（Triticum aestivum L.）在保障糧食安全中發(fā)揮著至關重要的作用。然而，近年來小麥產量增益速度顯著放緩，生物與非生物逆境脅迫不斷加劇，現(xiàn)有育種資源難以滿足小麥育種對高產、穩(wěn)產與抗逆性日益增長的需求，亟需引入新的、突破性的優(yōu)異基因源，拓寬小麥的遺傳基礎以實現(xiàn)持續(xù)改良。黑麥（Secale cereale L.）作為小麥的近緣屬，因其豐富的遺傳多樣性和強大的環(huán)境適應能力，長期作為小麥遠緣雜交關鍵基因供體，代表性的T1RS·1BL易位系已廣泛應用于全球小麥育種。

近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心安調過研究員團隊與崖州灣國家實驗室李立會研究員合作，在Cell Press細胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology發(fā)表綜述“Advancing wheat breeding using rye: a key contribution to wheat breeding history”。文章系統(tǒng)回顧了黑麥在小麥育種中的歷史貢獻，并深入探討了黑麥在現(xiàn)代生物技術、多維組學數(shù)據(jù)融合與人工智能輔助下釋放遺傳潛力的路徑與前景。文章第一作者為韓幗豪副研究員。

黑麥是拓寬小麥遺傳基礎的優(yōu)異基因源

長期以來，以高產為導向的馴化和育種顯著降低了小麥的遺傳多樣性，使當前主栽品種在應對復雜環(huán)境與病蟲害時愈顯脆弱，現(xiàn)有育種資源難以支撐持續(xù)改良的需求。在此背景下，攜帶豐富抗病、抗逆及優(yōu)異農藝性狀基因的小麥近緣屬種，被視為拓展遺傳基礎、突破育種瓶頸的重要外源基因庫。黑麥（Secale cereale L.）是與小麥親緣關系密切的二倍體禾本科物種，廣泛分布于全球溫帶地區(qū)，具有優(yōu)異的環(huán)境適應能力，能夠在干旱、寒冷、高海拔和貧瘠土壤等環(huán)境中穩(wěn)定生長。它的雙位點配子體自交不親和系統(tǒng)保證了高度異質性，維持了其顯著的遺傳多樣性與進化優(yōu)勢。通過遠緣雜交與染色體工程技術，黑麥中的抗病、抗逆與產量相關基因通過附加系、代換系與易位系等被有效導入普通小麥，眾多材料已成功應用于實際育種工作，成為重要的功能基因來源。此外，人工合成的小黑麥作為小麥與黑麥雜交的雙二倍體新物種，結合了小麥的高產優(yōu)質特性與黑麥的抗逆性，已被廣泛用于飼料、能源作物和逆境育種等領域。

黑麥優(yōu)良基因轉移對小麥抗性和產量性狀的改良

黑麥攜帶的優(yōu)良基因資源，在增強小麥對生物和非生物脅迫的適應能力方面展現(xiàn)出巨大潛力。尤其是基于Petkus黑麥1RS染色體臂創(chuàng)建的T1RS·1BL易位系，因同時攜帶Pm8、Yr9、Lr26和Sr31等多個抗病基因，且表現(xiàn)出良好的豐產性和廣適性，已成為全球小麥抗病育種的經典材料。此外，黑麥的2R、3R、6R等染色體上也攜帶多種抗病基因。黑麥在非生物脅迫條件下也表現(xiàn)出色，1RS染色體能夠顯著改善根系結構和水分利用效率，有效提升小麥在干旱條件下的適應能力。此外，黑麥還攜帶一系列與金屬耐受和低溫抗性相關的重要基因，如耐鋁、耐銅以及低溫適應性相關的關鍵基因或QTL。在產量性狀方面，黑麥1RS染色體的導入可有效提高小麥的千粒重和地上部生物量，成為高產育種中的重要遺傳工具。盡管黑麥攜帶大量與抗逆及產量相關的優(yōu)良基因，但由于受遺傳調控網絡和環(huán)境因素的復雜影響，表達穩(wěn)定性較差，目前相關基因的利用率仍偏低。因此，深入解析這些復雜性狀的遺傳與調控機制，是推動黑麥優(yōu)異基因在小麥中高效利用的關鍵所在。

黑麥基因組龐大、重復序列占比高且具有高度異質性，給染色體組裝與功能基因解析帶來了極大的挑戰(zhàn)。2021年，歐洲栽培黑麥Lo7和中國栽培黑麥威寧兩份高質量參考基因組發(fā)布，系統(tǒng)揭示了黑麥基因組的結構變異、進化特征和重要農藝性狀的關鍵基因，為優(yōu)異基因的識別、轉移與利用提供了精準坐標，標志著黑麥基因組研究邁入精細解析的新階段。

圖1 黑麥在小麥改良中的歷史貢獻與持續(xù)利用

黑麥在小麥育種改良中的利用策略優(yōu)化

創(chuàng)制高效、穩(wěn)定的黑麥小片段易位系：在外源基因的育種利用中，小片段易位系因遺傳穩(wěn)定、連鎖累贅少而廣受青睞。相比傳統(tǒng)創(chuàng)制方法，如輻射誘變、ph1b突變體誘導同源染色體配對易引發(fā)染色體重排與不良農藝性狀等問題，未來可通過精細調控同源配對基因并結合快速育種技術，提高優(yōu)異易位系的創(chuàng)制效率與純合速度。

提高黑麥染色體片段的檢測精度與效率：高通量、精準檢測是識別黑麥導入片段的關鍵?；蚪M原位雜交（GISH）和熒光原位雜交（FISH）及非變性熒光原位雜交（ND-FISH）技術的發(fā)展顯著改善了染色質可視化的精度與效率，配合不斷發(fā)展的DNA標記技術，進一步增強了對黑麥染色質的追蹤與定位能力。隨著基因組和測序技術的發(fā)展，黑麥染色質檢測方法將不斷優(yōu)化，向更高精度和更高通量發(fā)展。

加快黑麥功能基因的克?。汉邴渷碓吹目剐裕≧）基因廣泛應用于小麥抗病育種，克隆這些基因有助于深入解析其作用機制，打破遠緣雜交帶來的連鎖累贅，提高育種效率。近年來，測序技術和生物信息學工具的進步克服了許多傳統(tǒng)障礙，如RenSeq通過靶向富集NBS-LRR類序列實現(xiàn)了低成本、高效率的基因捕獲；MutRenSeq、MutRNASeq和MutIsoSeq等技術結合EMS誘變與先進測序手段，能夠快速識別與表型關聯(lián)的突變位點。

借助遺傳轉化與編輯技術實現(xiàn)黑麥基因的精準利用：克隆黑麥優(yōu)異基因后，相比傳統(tǒng)雜交，遺傳轉化可精確導入目標基因，有效規(guī)避連鎖累贅并節(jié)省時間，轉基因技術也可實現(xiàn)多個抗病基因在小麥中的聚合與共表達。CRISPR等基因組編輯技術可以促進遺傳重組，具有促進黑麥染色體片段導入與等位基因聚合的潛力。盡管當前在染色體重排、脫靶控制等方面仍有挑戰(zhàn)，但隨著新型編輯系統(tǒng)的發(fā)展以及對修復通路與多倍體基因組特性的優(yōu)化，黑麥基因的精準設計與高效應用將更加可行可控。

AI輔助育種助力黑麥基因的全面精準設計：在多維組學與大規(guī)模表型數(shù)據(jù)日益豐富的背景下，人工智能正為小麥育種注入新動能。基因組選擇、機器學習和深度學習等技術可高效整合基因型、表型與環(huán)境數(shù)據(jù)，有望解析黑麥基因在小麥背景下的復雜調控關系，并預測其育種表現(xiàn)。與此同時，AI驅動的高通量表型評價平臺正在改變性狀的傳統(tǒng)測量方式，通過圖像識別和無人機監(jiān)測等手段，實現(xiàn)抗病、抗旱節(jié)水、養(yǎng)分高效、產量等關鍵性狀的精準識別與動態(tài)跟蹤。

圖2 黑麥在小麥改良中的優(yōu)化利用策略框架

總結與展望

近年來，染色體工程、分子細胞遺傳學、功能基因組學和精準育種工具的快速發(fā)展為更有效地利用黑麥基因帶來了新的機遇。然而，連鎖累贅、重組抑制以及基因間的復雜互作仍是制約其深入利用的核心瓶頸。借助大數(shù)據(jù)與AI賦能的精準育種體系，應系統(tǒng)整合多組學平臺與先進生物技術，推進黑麥優(yōu)異基因的精準挖掘與高效利用。實現(xiàn)黑麥資源的全球共享與高效利用，需要國際合作的持續(xù)推動。通過全球共享高質量基因型與表型數(shù)據(jù)、聯(lián)合多環(huán)境田間試驗、共建信息平臺，將加速黑麥優(yōu)異性狀的精準定位與適應性評價，推動優(yōu)異基因資源在全球小麥育種中的深度應用。

本文參考文獻（上線劃動查看）

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論文作者介紹

李立會

 研究員

李立會，博士生導師，崖州灣國家實驗室小麥團隊首席科學家，農業(yè)部有突出貢獻的中青年科學專家，入選農業(yè)部"神農計劃"，享受國務院特殊津貼。潛心小麥種質資源研究37年，在小麥與冰草屬屬間遠緣雜交、種質資源精準鑒定與共性技術研發(fā)等方面取得重大突破。以第一完成人獲國家技術發(fā)明二等獎和國家科技進步二等獎各1項，以主要完成人獲國家科技進步二等獎和三等獎各1項，發(fā)表學術論文百余篇，獲得多項發(fā)明專利和植物新品種權，獲中國青年科技獎、全國工人先鋒號等榮譽。

安調過

 研究員

安調過，博士生導師，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心作物設計育種科研大團隊首席科學家。承擔完成了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金等多項科研任務；以第一作者或通訊作者在國際知名期刊上發(fā)表SCI論文50余篇，獲授權國家發(fā)明專利15項；作為主要完成人，選育出多個小麥新品種，兩次獲國家科技進步二等獎，兩次獲神農中華農業(yè)科技獎一等獎，獲中國科學院科技進步一等獎。團隊長期開展小麥染色體工程材料的創(chuàng)制、抗病和重要農藝性狀基因/QTL的發(fā)掘、精細定位與克隆及分子設計育種等。

相關論文信息

相關研究發(fā)表在Cell Press細胞出版社

旗下期刊Trends in Biotechnology

▌論文標題：

Advancing wheat breeding using rye: a key contribution to wheat breeding history

▌論文網址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925000939

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.03.008