玉米是我國面積最大、總產最高和全球種子市值最大的糧食作物，對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。持續不斷提高產量的核心在于雜交玉米新品種的培育，以提升雜種優勢利用水平。而培育雜交種親本一般需要連續自交純化8代或更長周期，是玉米育種關鍵限速步驟。傳統選育方法已沿用百余年，如何加速玉米親本自交純系選育一直是國際育種界的迫切需求。由中國農業大學陳紹江教授聯合李建生和劉晨旭、吉林省農業科學院才卓、中國農業科學院黎亮和北京市農林科學院段民孝等專家通過長期協同攻關，成功研發出玉米單倍體育種高效技術體系，將親本選育的周期縮短至2代，速度可提高4倍以上，讓育種“快”了起來，成為育種上的“高鐵技術”。這項工作獲得了2023年度國家技術發明二等獎。

      

      

      單倍體這一生物學概念并不陌生，常見的玉米等作物都是二倍體，其染色體都是成對存在于細胞中。而單倍體的植株細胞的染色體數量降低為二倍體的一半。實際上，植物單倍體的發現最早可追溯至百年以前。當時，科學家觀察到自然界偶然會出現單倍體,雖然可以生長但一般高度不育，繁殖困難。理論上，對單倍體進行染色體加倍處理可以使其變回二倍體，這個過程中染色體由一個復制變成完全相同的兩個，因此加倍獲得的二倍體是遺傳上純合的純系（即雙單倍體系，或DH）。而這樣的材料恰恰可以應用于雜交種的培育，理論上就可以顯著縮短玉米親本純系選育周期，大幅加快育種進程。

      

      然而，由于自然界中單倍體發生的幾率太低，無法應用。長期以來，人們一直在不斷探索，試圖找到能穩定、快捷產生單倍體的方法。國內外科學家先后嘗試了花藥或子房等組織培養等多種單倍體技術路徑，雖也取得了一定進展，但因受限于操作復雜、易受遺傳背景影響等原因而限制了應用。開發穩定高效獲得單倍體的技術路徑是實現單倍體育種技術的應用的首要卡點，也是植物育種界面臨的共性難題。

      

      本次獲獎項目瞄準的方向是雜交誘導單倍體技術路線。該技術的基礎是上世紀50年代發現的原始玉米誘導系材料，利用其花粉與其他玉米雜交后，雜交當代果穗上就可產生1-2%左右的母本單倍體種子。但是該技術路徑存在多個關鍵技術瓶頸，首先是原始誘導系的誘導率很低，且單倍體誘導的遺傳基礎不明確，難以規模化應用；其次是雜交誘導當代籽粒中，單倍體很少且與二倍體隨機出現，通常依賴顏色基因標記挑選，易受環境和遺傳背景等因素影響不易準確區分，需要建立穩定可靠的高效鑒別標記系統；第三是自然條件下，單倍體一般高度不育，需要染色體加倍才能獲得種子。因此，立項之初，國內外均處于探索階段，該技術路徑是否可行也沒有共識，更沒有現成答案。

 

      

      項目針對該技術體系的關鍵技術難題，聚焦高效技術的體系化研發，經過近30年持續攻關，取得了覆蓋全技術鏈的創新成果。在單倍體誘導系創制方面，通過創新表型選擇方法、發明分子標記輔助選育方法，先后培育了三代單倍體誘導系，將單倍體誘導效率提高到20%以上。開啟了我國單倍體育種的先河，也為該技術的高效應有提供了核心材料。更為重要的是，項目成功克隆的2個關鍵誘導基因，解析了誘導的遺傳基礎，我國在此領域占領了技術制高點，也為不同作物單倍體快速育種技術的創建開辟了新路徑。在鑒別技術方面，團隊基于籽粒油分花粉直感現象，在國際上率先提出利用雜交當代遺傳效應鑒選單倍體的技術原理。該原理的核心是利用單倍體與二倍體在雜交當代籽粒油分含量或幼胚形態差異。發明了基于籽粒油分標記的單倍體籽粒篩選方法，并合作開發了全自動單倍體籽粒鑒別裝備，實現了單倍體籽粒高通量、自動化鑒別。進一步發明了基于幼胚形態的單倍體可視化快速鑒選方法，實現了單倍體幼胚的精準高效鑒別；針對單倍體自然條件下高度不育，難以繁殖獲得種子的難題，團隊基于研究發現的單倍體細胞存在染色體倍性嵌合現象，通過染色體加倍方法的不斷創新和技術迭代，先后建立起“芽苗加倍”和“幼胚組培加倍”等成套高效加倍技術，使染色體加倍效率提升5倍乃至10倍以上，滿足了不同地區、不同規模的育種企事業單位的技術需求，實現了高通量、高效的純系創制。

      

      上述三大核心技術的突破，形成了從原理創新到原創技術的多項國際領先的標志性成果。從高頻誘導系的選育，到關鍵誘導基因的克隆，再到精準鑒別和高效加倍技術創建，打通了全技術鏈，進一步在實踐上與育種系統集成融合形成工程化快速育種模式，由此創建了單倍體育種高效技術體系并實現了大規模的產業化應用。

      

      

      

      育種實踐是技術價值的試金石，產業化應用是對科研成果的最好禮贊。項目通過技術培訓和科企合作，在登海種業、墾豐種業、五谷種業等全國數十家玉米種子骨干企業均建立了單倍體育種技術平臺，大幅提高了企業育種研發的效率，促進了企業技術的進步和創新能力的提升，育種單位利用該技術創制純系的規模迅速提高到數以萬計。項目創建高效技術體系還催生了新的DH純系創制服務企業，如北京華育和創、鐵嶺東升等創新型企業，已形成百萬級通量的規模化純系創制平臺，服務范圍覆蓋全國主要企事業育種單位。同時，大批DH純系創制和雜交種的育成及其規模化推廣，已為我國玉米增產增收注入了新的動能，彰顯了該技術多快好省的突出優勢。純系選育模式由慢到快的重大變革，使玉米育種駛上“快”車道，推動了我國玉米育種技術的更新換代。

      

      該技術的突破和大規模應用，實現了由邊緣到主流核心技術的躍升，此不僅是包括宋同明教授在內的幾代人近三十年持續努力和項目完成單位精誠合作的結果，也是產、學、研、用聯合攻關所鍛造的關鍵核心技術新路標。不僅實現了技術的由“無”到“有”，也實現了整體上引領性的突破，為國家種業振興交出了自立自強新答卷。

      

      如何將玉米單倍體育種的成功經驗拓展至更多作物是團隊進一步攻關的重要方向。目前，利用單倍體誘導關鍵基因ZmPLA1及ZmDMP在不同物種中的序列保守性，項目已在小麥、番茄、油菜、煙草、大豆等十多種重要作物上成功進行了技術驗證。未來，有望創建通用型跨作物單倍體快速育種技術體系，進一步引領作物育種的發展方向，實現讓更多作物育種坐“高鐵”的夢想，繼而為我國種業科技創新和振興賦予強大新動能。