综述：利用黑麦推进小麦育种：对小麦育种历史的关键贡献

《TRENDS IN Biotechnology》：Advancing wheat breeding using rye: a key contribution to wheat breeding history

这篇综述聚焦利用黑麦推进小麦育种。黑麦（Secale cereale L.）作为小麦（Triticum aestivum L.）的近亲，在拓宽小麦遗传多样性等方面作用显著。文中探讨其历史贡献与未来应用潜力，介绍相关生物技术策略，为小麦育种研究提供重要参考。

　　

黑麦在小麦育种中的重要意义

小麦（Triticum aestivum L., AABBDD）是全球粮食系统的重要组成部分，养活了全球 40% 的人口，提供超过 20% 的每日热量和蛋白质摄入。预计到 2050 年，全球人口将达 100 亿，小麦产量需至少提高 2% 才能满足需求。然而，近年来小麦产量提升速度明显放缓，在北美大平原北部，小麦产量遗传增益停滞，2008 - 2021 年硬冬小麦产量年增长仅8.9kgha?1 ，远低于历史上的39.2kgha?1 ；中国过去二十年小麦年产量增长率仅 1.2%，无法满足预期需求。此外，极端气候、土壤退化和资源稀缺进一步威胁小麦生产。

现代小麦育种过程中，对高产性状的过度选择导致遗传瓶颈，降低了遗传多样性，使小麦品种更易受生物和非生物胁迫影响。在小麦的三级基因库中，黑麦（Secale cereale L., RR）是最早且应用最广泛的遗传资源之一。黑麦的强异花授粉特性产生大量变异，使其具备抗生物和非生物胁迫的能力，成为小麦改良的重要遗传资源。

黑麦 —— 小麦改良的代表性遗传资源

黑麦是禾本科（Poaceae）黑麦属（Secale）植物，与小麦（Triticum spp.）、大麦（Hordeum vulgare）等小麦族（Triticeae tribe）成员关系密切。黑麦属包含三个二倍体（2n=14）物种：S. cereale、S. strictum 和 S. syivestre，分布于六大洲的温带地区，能在其他谷物难以生长的干旱、寒冷、高海拔热带和亚热带栖息地以及贫瘠土壤中生存。其独特的两基因座配子体自交不亲和（SI）系统，保证了异花授粉，维持了遗传多样性和进化优势。

小麦的异源多倍体性质使其遗传组成可被修饰。通过远缘杂交和染色体工程将黑麦基因导入小麦，是拓宽小麦遗传基础的有效途径。小黑麦（× Triticosecale Wittmack）是小麦（母本）和黑麦（父本）远缘杂交的人工种间杂种，结合了小麦的高产和优质特性以及黑麦的环境适应性，在畜牧业饲料生产、工业能源作物和抗病等方面具有重要价值。小黑麦的历史可追溯到 1873 年首次小麦 - 黑麦杂交，1888 年 Rimpau 记录了部分可育小麦 - 黑麦杂种的自发染色体加倍，随后秋水仙素用于染色体加倍和胚胎拯救技术的进步推动了小黑麦商业化种植。六倍体小黑麦因其基因组稳定性和农艺性能的平衡，成为全球种植最广泛的小黑麦类型。

黑麦的独特特性使其成为小麦改良的宝贵资源，通过小麦 - 黑麦附加系、代换系和易位系，许多优良性状已成功导入小麦，这些与增强抗逆性、适应性和农艺性能相关的基因和种质资源，是未来小麦育种的关键战略资源。

黑麦优良基因转移对小麦抗性和产量的提升

1. 病虫害抗性：黑麦来源的基因能有效增强小麦对多种病原体和害虫的抗性，常通过非寄主抗性机制提供持久、广谱的抗性。T1RS?1BL 易位系是增强小麦病虫害抗性的关键遗传资源，1RS 染色体上的基因可抗多种小麦病虫害，如白粉病（Pm8 和 Pm17）、条锈病（Yr9）、叶锈病（Lr26）、秆锈病（Sr31 和 Sr50）、麦蚜（Gb2 和 Gb6）、俄罗斯麦蚜（Dn7）和小麦卷叶螨（Cmc3）。此外，2R、3R、6R 等染色体上也含有多种抗病基因。
2. 非生物胁迫耐受性：黑麦在小麦族作物中对非生物胁迫耐受性强。1RS 染色体臂在耐旱性方面发挥重要作用，可改善初生根数量、地上部干重和冠层水分状况等性状。研究表明，3R、5R、7R 染色体可增强干旱条件下的生理性能和产量稳定性，2R、4R、6R 染色体影响水分亏缺响应。在金属耐受性方面，转移黑麦 5RL 染色体可提高小麦对铜的利用效率，黑麦还携带多个耐铝基因。同时，黑麦具有较强的低温耐受性，相关数量性状位点（QTLs）位于 4R、5R 和 7R 染色体上。
3. 产量相关性状的增强：提高产量一直是小麦育种的主要目标。T1RS?1BL 易位系中的 1RS 染色体对提高小麦产量至关重要，可增加粒重和地上部生物量。然而，1RS 上的 Sec - 1 位点编码 ω - 黑麦醇溶蛋白，会对面筋质量产生负面影响，导致面团粘性大、发酵性能差等问题。为减轻这些影响，研究人员探索了消除 Sec - 1 位点或利用 RNA 干扰（RNAi）技术沉默 ω - 黑麦醇溶蛋白基因等方法。其他黑麦染色体在提高产量方面也有潜力，但研究相对较少。

尽管黑麦携带许多与非生物胁迫耐受性和产量相关的宝贵位点，但这些位点的利用程度较低。与由质量遗传控制的抗病性不同，非生物胁迫和产量相关性状由数量遗传控制，受复杂遗传网络和环境因素影响，表现不稳定。例如，导入黑麦 5RL 染色体改善低温耐受性的效果不明显，这表明在小麦背景下存在不同的调控机制。因此，深入了解这些复杂性状的遗传和调控网络，对其在小麦背景下的有效利用和基因组编辑至关重要。

黑麦基因组组装助力深入遗传解析

高质量参考基因组对理解黑麦遗传多样性、克隆优良基因、揭示基因机制和推进育种至关重要，但黑麦基因组的特点给其参考基因组的从头组装带来挑战。黑麦基因组大（约 7.9 Gb）且高度重复（>90%），同时依赖异交。早期的基因组研究包括开发表达序列标签（EST）文库和 Rye5K 基因分型阵列。2013 年发布的虚拟基因顺序图是重要里程碑，2017 年发布的首个草图基因组覆盖约 2.8 Gb，占预期基因组的 35%，促进了 Rye600K 基因分型阵列的开发。

2021 年，利用 PacBio、Illumina 和 Hi - C 平台组装出两个高质量黑麦基因组，这是黑麦基因组学的重大进展。Lo7 自交系的染色体水平组装揭示了结构变异（SVs）、胁迫耐受基因以及黑麦在小麦育种中的作用，特别是 T1RS?1BL 易位。中国威宁黑麦的基因组组装揭示了转座子驱动的基因组扩张和重要农艺性状相关的关键基因。比较基因组分析追溯了黑麦的进化轨迹及其与小麦和大麦的共线性关系，对 116 份全球黑麦种质的全基因组重测序研究表明，栽培黑麦驯化自杂草黑麦，而非直接来自野生种。

黑麦基因组与小麦基因组具有较强的共线性，尤其是 1R、2R 和 3R 染色体与小麦同源群之间。但黑麦也表现出独特的基因组动态，存在更多大规模结构变异。黑麦参考基因组有助于阐明复杂性状的基因组基础，加速基因发现和功能表征，支持基因组指导的育种策略，实现将优良黑麦基因精确导入小麦，提高小麦的生物和非生物胁迫耐受性、产量稳定性和整体适应性。鉴于黑麦品种间的高度异质性，提出黑麦泛基因组计划，以全面分析基因组变异，解码与复杂优良性状相关的基因 / 位点。

最大化黑麦在小麦育种中潜力的策略与展望

全球收集的黑麦遗传资源目前有 21192 份，主要保存在俄罗斯、德国、波兰、美国和加拿大等国家。与自花授粉的小麦和大麦相比，多数黑麦物种的开放授粉特性使其在基因库中的保存更为复杂，导致黑麦的迁地保护收集规模较小，但单个种质往往蕴含丰富的遗传多样性。为更好地利用这些遗传资源，加强对不同黑麦种质的收集、保护和鉴定，同时整合特定栖息地的地理、气候和生态数据，对黑麦遗传资源的管理至关重要。

尽管黑麦在小麦改良方面具有巨大遗传潜力，但目前利用程度仍较低。许多已鉴定的黑麦来源基因在大规模商业育种中的应用需进一步优化，还有大量基因有待开发。小麦与黑麦的杂交障碍、重组抑制、连锁累赘、农艺性能差以及与胁迫耐受性和农艺性状相关的表型鉴定困难等问题，阻碍了黑麦在商业育种中的应用。为克服这些障碍，需采取系统方法，整合种质创新、先进技术和加强合作。以下是最大化黑麦对小麦育种贡献的策略：

1. 构建黑麦基因组草图：高质量黑麦基因组组装对深入了解黑麦遗传特性和推动小麦育种至关重要。目前已取得重要进展，未来需进一步完善，为基因挖掘和育种应用提供更坚实的基础。
2. 开发具有更高育种价值的易位系：易位系，尤其是小片段易位系，在小麦育种中因其高遗传稳定性和减少连锁累赘而受到青睐。传统开发小麦 - 黑麦易位系的方法包括电离辐射、利用中国春 ph1b 突变体和杀配子染色体等，但这些方法存在染色体广泛重排、不育、农艺性状差等缺点。未来可通过选择替代基因增加同源配对，如 Tazip4 - B2 和 phKL 位点，同时优化染色体操作技术，整合快速育种技术，加速纯合小片段易位系的开发。
3. 高通量高分辨率检测黑麦导入的技术：高效、准确、省力的技术对追踪和鉴定小麦背景中的黑麦染色质至关重要。基因组原位杂交（GISH）和荧光原位杂交（FISH）技术的进步显著改善了黑麦染色质的表征，非变性荧光原位杂交（ND - FISH）基于寡核苷酸探针简化了检测过程。DNA 标记技术的发展进一步提高了检测效率、分辨率和通量，如特定位点扩增片段测序（SLAF - seq）和竞争性等位基因特异性 PCR（KASP）标记。随着基因组和测序技术的发展，黑麦染色质检测方法将不断优化，向更高精度和通量发展。
4. 升级基因克隆策略促进黑麦基因快速克隆：黑麦来源的抗病（R）基因是小麦生产中应用最广泛的基因之一。克隆这些基因有助于深入了解其功能网络，打破远缘杂交带来的连锁累赘，提高育种效率。但由于小麦与黑麦染色体间同源重组的抑制等问题，黑麦基因克隆进展缓慢。近年来，测序技术和生物信息学工具的进步克服了许多传统障碍，如 RenSeq、MutRenSeq 和 AgRenSeq 等技术加速了小麦近缘种 R 基因的发现和克隆。未来，更多黑麦来源的基因将被分离和鉴定，结合多组学方法将全面了解其在小麦背景下的调控机制和功能网络。
5. 精准基因组工程实现靶向基因设计与利用：克隆黑麦来源的基因后，小麦遗传转化为导入目标基因提供了精确方法，相比传统杂交节省时间且可克服连锁累赘。转基因技术可聚合多个基因，如五个 Sr 基因的堆叠赋予小麦对秆锈病的高水平田间抗性。基因组编辑技术，尤其是 CRISPR/Cas 系统，正在彻底改变作物改良。CRISPR 介导的双链断裂（DSBs）可诱导大规模染色体重排，促进遗传重组，但目前 CRISPR 介导的染色体易位效率较低，且黑麦高度重复的基因组给传统 CRISPR 系统带来脱靶风险。未来需优化基因组编辑工具，提高其在多倍体基因组中的精准性。
6. 人工智能辅助育种实现黑麦基因的全面精准设计：在大数据时代，人工智能（AI）在处理多维数据方面具有巨大潜力。基因组选择（GS）已应用于现代育种计划，机器学习（ML）算法可增强预育种、区域选择和分子辅助育种（MAS），深度学习（DL）模型能揭示复杂的基因 - 性状相互作用。AI 驱动的高通量表型平台正在改变性状测量和分析方式，如无人机搭载高光谱相机和 ML 算法可监测麦田，识别具有优良性状的植株。对于受复杂遗传和环境因素影响的小麦 - 黑麦衍生系的数量性状，AI 技术有助于更准确地评估和预测育种性能。

结论与展望

黑麦长期以来一直是小麦改良的重要遗传库，其基因组元素成功整合到小麦中，尤其是 T1RS?1BL 易位系的全球广泛应用，凸显了小麦近缘种在应对关键育种挑战方面的变革潜力。众多小麦 - 黑麦导入系为小麦带来了优良性状。近年来，染色体工程、分子细胞遗传学、功能基因组学和精准育种工具的进步为更有效地利用黑麦基因开辟了新领域。然而，黑麦在小麦育种中的全部潜力仍未完全挖掘，连锁累赘、重组抑制以及小麦与黑麦之间的复杂相互作用等关键挑战仍严重限制其应用。

在大数据和 AI 辅助育种的时代，建议利用先进生物技术和丰富的黑麦遗传资源优化育种性能。通过先进的分子细胞遗传学和基因组技术，扩大黑麦种质的收集和鉴定，进行高精度和高通量的遗传多样性分析。染色体<