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本文聚焦小麦育种，阐述单倍体诱导基因在小麦育种中的关键作用。其整合多种技术，如双倍体（DH）技术、HI-Edit 等，为育种带来创新。同时探讨面临的挑战，为推动小麦育种技术发展提供参考，助力提升小麦产量应对粮食安全问题。
1. 引言
小麦作为主要粮食作物，在保障全球粮食安全方面意义重大。然而，气候变化、资源限制和生物胁迫等因素，给小麦育种工作带来了诸多挑战。传统育种获得纯合小麦品种需要多代近亲繁殖与选择，而双倍体（DH）技术可在两代内从杂合植株快速获得纯合系，能加速育种进程。单倍体诱导基因的发现推动了育种技术的发展，如 TaMTL/TaPLA 基因的鉴定，使得通过单倍体诱导系杂交诱导单倍体成为可能，这一技术已广泛应用于玉米育种。基于单倍体诱导基因和鉴定系统，建立了新型 DH 技术，并且单倍体诱导基因还与 CRISPR/Cas9 系统结合，产生了 HI-Edit 等创新育种技术。
2. 小麦单倍体诱导方法的演变
2.1 核质互作诱导单倍体
大约百年前，人们偶然发现了首例小麦单倍体种子，它源自 T. compactum humboldtii 与 Aegilops cylindrica 的种间杂交。此后，科研人员致力于人工诱导小麦单倍体，目前已开发出多种方法。核质互作可诱导小麦单倍体，例如 Ae. caudata 的细胞质能诱导普通小麦产生单倍体，其中小麦 - 黑麦 1BL/1RS 易位系 Salmon 在导入 Ae. caudata 细胞质后，单倍体诱导频率高达约 30%。这一过程涉及 1RS 染色体臂上的 Ptg 基因与 Ae. caudata 细胞质的相互作用。不过，该方法诱导的单倍体在染色体加倍后育性较低，限制了其应用。
2.2 减数分裂孢子的离体培养
离体培养减数分裂孢子是生产 DH 系的一种途径。花药培养成功用于诱导 Datura innoxia 单倍体后，被引入小麦育种领域，随后又发展出分离小孢子培养技术，该技术能确保再生植株完全由小孢子发育而来。通过花药或小孢子培养，已培育出多个小麦 DH 品种。但单倍体诱导效率受基因型影响较大，部分基因型诱导效果不佳，限制了这些技术的广泛应用。此外，子房或大孢子培养也可诱导单倍体，但同样存在基因型依赖和大孢子数量有限的问题，难以大规模应用。
2.3 通过远缘杂交诱导单倍体
远缘杂交可增加小麦遗传多样性，同时也能诱导单倍体形成。例如，小麦与黑麦杂交培育出 1BL-1RS 易位系，提高了小麦的抗病性和农艺性能；通过与 Haynaldia villosa 杂交，将 Pm21 基因导入小麦。在诱导单倍体方面，大麦与球茎大麦杂交发现了远缘杂交诱导单倍体的现象，随后这一方法在小麦单倍体诱导中得到广泛应用。小麦 - 玉米和小麦 - 白茅（Imperata cylindrica）杂交系统是较为有效的单倍体诱导方法，其中小麦 - 玉米杂交系统基因型依赖性较低，在中国云南等地广泛应用，培育出众多小麦品种，但该方法存在花期同步困难、胚胎拯救过程复杂等问题；小麦 - 白茅杂交系统也颇具潜力，白茅花粉在特定条件下可保存一个月用于授粉，但因其具有杂草特性，使用时需谨慎。
2.4 单倍体诱导基因
在玉米中，由母本诱导系（如 Stock6 及其衍生物）介导的单倍体诱导取得了成功，诱导率可达 8 - 15%。研究发现了两个主要的数量性状位点（QTL），即 qhir1 和 qhir8，它们解释了单倍体诱导的大部分遗传变异。2017 年，三个研究小组分别鉴定出编码花粉特异性磷脂酶 A1 的基因 Matrilineal（MTL）/Not like Dad（NLD）/Phospholipase A1（PLA1）是 qhir1 的致病基因，其单倍体诱导率约为 2.0%。随后，ZmDMP 被确定为 qhir8 的靶基因，ZmDMP 突变体单倍体诱导率为 0.1 - 0.3%，与 mtl 同时存在时诱导率可提高 5 - 6 倍。在小麦、水稻、谷子和大麦中，敲除 ZmMTL 的同源基因可诱导母本单倍体产生，其中小麦 TaMTL/TaPLA 突变体的单倍体诱导率为 5.8 - 31.6%。然而，ZmDMP 在单子叶植物中功能保守性较低，在水稻中敲除其同源基因未诱导出单倍体。此外，ZmPLD3、ZmPOD65、Indeterminate gametophyte 1（Ig1）和 CENH3 等基因也被鉴定为单倍体诱导基因，它们在玉米和小麦中的功能存在差异。例如，ZmPLD3 在玉米中可诱导单倍体，与 mtl 有协同作用，但在小麦中的功能尚未报道；Ig1 在玉米中可诱导父本单倍体，而小麦 TaIG1 功能丧失突变体无法产生父本单倍体；编辑 TaCENH3a 可在小麦中诱导父本单倍体，杂合基因型诱导率更高。
2.5 化学或辐射诱导
在玉米中，用活性氧（ROS）试剂处理花粉可诱导单倍体，该方法无需转基因操作，但由于小麦花的两性结构，此方法并不适用于小麦。对小麦花粉进行紫外线、X 射线或60Co - γ 辐射，以及用萘乙酸、2,4 - 二氯苯氧乙酸等植物生长调节剂和动物激素相关化合物处理小麦柱头，均可诱导单倍体，但诱导率较低，小于 4.6%。
3. 单倍体鉴定
单倍体诱导后，需进行准确鉴定。一般可根据表型、细胞学和遗传差异，如保卫细胞长度、染色体数目、遗传标记和流式细胞术等方法区分单倍体和二倍体。在花药或子房培养中，需验证再生植株是否为单倍体；远缘杂交诱导的单倍体，因杂交种子无胚乳，经胚胎拯救获得的植株均为单倍体，可通过显微镜观察颖果判断是否含胚。在由单倍体诱导系诱导的单倍体鉴定方面，小麦已建立了高效鉴定系统。该系统借鉴玉米利用转录因子 ZmR 和 ZmC1 促进花青素积累的原理，创建了紫色胚芽鞘单倍体诱导系（PCI）和紫色胚单倍体诱导系（PEI），通过杂交后代胚芽鞘或胚的颜色进行单倍体鉴定，准确率分别达 96.3% 和 97.7%。此外，RUBY 系统在玉米和番茄诱导系中实现了 100% 的单倍体鉴定准确率。
4. 染色体加倍
单倍体鉴定后，需将不育单倍体转化为可育的 DH 系，可通过自然或人工染色体加倍实现。自然加倍频率较低，虽低温处理可提高加倍率，但受环境因素影响大。一些来自 Ae. tauschii 的 QTL 可能调节非减数分裂，促进自然加倍，如在 T. turgidum 和 Ae. tauschii 杂交群体中鉴定出的 QTug.sau - 3B。在人工加倍方面，研究了多种试剂，其中秋水仙素应用最为广泛，它能高效阻断有丝分裂，促进染色体加倍。已开发出高效的秋水仙素介导加倍方法，植株存活率可达 99.0%，染色体加倍率为 96.0%。
5. 单倍体诱导基因的应用
5.1 单倍体诱导与雄性不育基因整合
传统单倍体诱导方法，如花药或小孢子培养、远缘杂交等，存在操作复杂、诱导频率低等缺陷，限制了 DH 技术的广泛应用。PEI（一种带有花青素标记的 TaMTL 编辑突变体）通过与供体群体简单杂交，实现了单倍体诱导和鉴定。其诱导的单倍体种子可通过胚的颜色轻松识别，鉴定准确率近乎 100%，且该系统不依赖离体培养，遗传依赖性低。然而，小麦是两性花植物，去雄操作阻碍了大规模单倍体诱导。将显性雄性不育基因（如 MS2）引入育种系统，可省略去雄步骤。用 PEI 花粉（ms2ms2）给携带 MS2ms2 等位基因的优良育种群体授粉，通过胚色筛选单倍体，这些单倍体中 MS2 与 ms2 的比例为 1:1，只有携带 ms2 等位基因的单倍体在染色体加倍后可育。
5.2 Hi - Edit 或单倍体诱导介导的基因组编辑
CRISPR - Cas9 基因组编辑技术在植物细胞中高效，但目前仅有少数商业作物品种可直接进行遗传操作。HI - Edit（单倍体诱导介导的基因组编辑，IMGE）技术通过一次杂交，实现了对商业作物品种的直接基因组修饰，使基因组编辑技术可应用于一些难以转化的作物品种。该技术过程包括：编辑 MTL 或 CENH3 基因获得单倍体诱导系，将表达 Cas9 和靶向基因的向导 RNA（gRNAs）的载体转化到诱导系中，诱导系与优良品系杂交，从后代中筛选单倍体并对靶位点测序，对编辑靶基因的单倍体进行染色体加倍，最终获得编辑后的优良品系。HI - Edit 已成功应用于小麦 - 玉米杂交系统，通过优化驱动 Cas9 表达的启动子，可提高编辑效率。
5.3 细胞质交换创建 CMS 系
细胞质雄性不育（CMS）系常用于作物杂种优势利用，但传统创建 CMS 系的方法复杂、耗时且成本高。一种基于父本单倍体诱导的细胞质交换方法在玉米和芸薹属植物中得到验证，该方法比传统回交更快、更经济，还可避免不良基因组区域的连锁累赘。以玉米为例，携带 cenh3 杂合无效等位基因的植株可产生约 5% 的父本单倍体。为便于单倍体鉴定，在携带显性 R1 - scm2 等位基因的品系中创建 cenh3 突变体，具有 R1 - scm2 等位基因的胚在光照 24 小时后会变为深紫色。将 cenh3/+，R1 - scm2/R1 - scm2 品系作为父本与携带 CMS 细胞质的品系杂交，创建 CMS 转换系，自交产生保持系。选择携带负恢复因子的受体品系作为父本与相应 CMS 转换系杂交，筛选携带受体系核基因组和 CMS 转换系细胞质的单倍体进行染色体加倍，最终获得纯合的优良 CMS 系。基于此系统，任何携带负恢复因子的受体系可在两代内转化为 CMS 系。
5.4 合成无融合生殖
F1杂种在作物增产和稳定性方面具有优势，但 F1杂交种子需每季更新，成本高昂。在水稻中，通过编辑三个减数分裂基因 REC8、PAIR1 和 OSD1，以及单倍体诱导基因 MTL，实现了合成无融合生殖，使 F1种子可克隆繁殖。编辑这三个减数分裂基因产生的 MiMe（Mitosis instead of Meiosis）基因型，可将减数分裂过程替换为类似有丝分裂的分裂，产生克隆二倍体配子并使每代染色体加倍。MTL 在 MiMe 中可介导单倍体诱导并部分阻止染色体加倍，osd1 pair1 rec8 mtl 四突变体可产生 4.7 - 9.5% 的 F1克隆种子。在拟南芥中，通过与 CENH3 介导的染色体消除系杂交或编辑单倍体诱导基因 DMP，可部分阻止 MiMe 中的染色体加倍。在 MiMe 中异位表达 BABY BOOM1（BBM1）或 BBM4 也可实现 F1杂种的克隆繁殖，但克隆种子比例较低。目前，合成无融合生殖仅在水稻和拟南芥中应用。
6. 结论与未来挑战
自 1922 年首次报道植物单倍体以来，单倍体诱导技术取得了显著进展。在小麦中，利用单倍体诱导基因进行单倍体诱导，突破了地域和离体培养的限制。结合基因组选择技术评估 DH 系，可提高小麦育种效率；在 F3代进行单倍体诱导，可平衡同源重组频率和育种时间。HI - Edit 技术可在任何遗传背景下直接编辑基因组靶点，两代内获得纯合系，且能同时编辑多个基因组位点，还可产生无转基因植株。小麦 - 玉米杂交系统和 PEI 系为 HI - Edit 提供了可行途径，但需评估编辑效率。小麦杂种优势明显，CENH3 可诱导父本单倍体，部分 CMS 系统已开发，为细胞质交换技术和合成无融合生殖在小麦中的应用提供了可能。然而，这些基于单倍体诱导基因的创新育种技术面临一些挑战，如 TaMTL/TaPLA 诱导单倍体时种子结实率低，CENH3 仅在杂合状态下诱导率较高，且利用 TaMTL/TaPLA 时染色体片段渗入频率低，这些问题需要进一步研究解决，以推动小麦育种技术的发展。
