你知道吗？小麦是世界上最重要的粮食作物之一，全球近三分之一的人口以它为主食，它可以做成我们日常吃的馒头、面条、面包等。

但小麦的育种，却面临一个“老大难”问题——周期太长。尤其是利用常规杂交育种方法培育优良品种，往往耗时费力。

一、为什么小麦育种这么慢？

小麦是个异源“六倍体”植物（AABBDD），基因组复杂得像一座由三个相似房间组成的庞大图书馆，每个房间里都藏着功能相近的“藏书”。传统育种方法中，科学家想把一个优良性状（比如抗病、高产）稳定下来，通常需要多代自交，一干就是五六年。即便有了CRISPR等基因编辑技术，编辑后的植株也往往需要2~3代自交才能获得纯合子（即遗传稳定的个体）。

有没有办法能跳过漫长的自交纯化，一代就拿到稳定的纯合品系？中国农业科学院作物科学研究所科研团队经过长期研究实践，终于给出了答案——那就是基于单倍体幼胚的遗传转化体系，直接让小麦转基因和基因编辑实现“一步到位”。

二、新思路：从“二倍体”转向“单倍体”

我们常见的普通小麦是异源六倍体，细胞里含有来自三个祖先物种的六套染色体；而单倍体植株，只含有来自母本的一套染色体，只要给它做一次染色体加倍，就能直接获得100%纯合的双单倍体植株，相当于把原本需要好几年的自交纯化过程，压缩到了一个世代里。

但过去，小麦单倍体育种一直存在两大难题：一是单倍体幼胚难识别、难获得，花药培养、玉米花粉诱导等传统方法，要么诱导效率极低，要么极度依赖小麦基因型，还需要专业的实验设备；二是单倍体组织特别难转化，想给单倍体做转基因和基因编辑，成功率低到可以忽略不计，这也让单倍体育种和基因编辑技术长期无法高效结合。

怎么破解单倍体识别这一难题，就显得尤为关键。

三、HIPE诱导系：给小麦胚胎装上“彩色身份证”

为此，科研团队专门研发出了一款具有紫色胚的单倍体诱导系HIPE。这套系统的核心，是给利用基因编辑技术获得的单倍体诱导系装上了能够产生花青素的“显色开关”。当它作为父本与普通小麦品种杂交时，会结出具有不同颜色胚的籽粒。

其中，二倍体杂交胚继承了父本的显色基因，长成紫色，直接淘汰；母本来源的单倍体胚没有继承显色基因，保持原本的白色，就是我们要的“目标选手”。

图1 杂交F1代的小麦幼胚

a：白色胚为单倍体（Ha，Haploid）；b：紫色胚为二倍体（Di，Diploid）。标尺 = 0.7 mm

靠着这个“彩色身份证”，科研人员无须使用复杂仪器，只需在解剖镜下，一眼就能挑出纯净的单倍体幼胚，不仅准确率接近100%，还省去了后续繁琐的单倍体鉴定步骤，大大降低了操作门槛。

四、单倍体幼胚转化：一代搞定转基因 + 纯合化

拿到白色单倍体幼胚后，科研团队直接利用这些幼胚开展农杆菌介导的遗传转化，给它们转入目标基因，进行基因编辑，看看能不能一步到位拿到稳定的转基因/基因编辑小麦。

整个流程就像给小麦做了一次“精准基因手术”：

1. 挑取白色单倍体幼胚，用农杆菌把目标基因送入细胞，包括显色验证基因、靶向小麦品质基因的CRISPR编辑载体；

2. 经过愈伤诱导、抗性筛选，再生出单倍体转基因/基因编辑植株；

3. 用秋水仙素等试剂对单倍体转基因/基因编辑植株进行染色体加倍，直接获得双单倍体纯合植株。

图2 经过染色体加倍后，获得的转基因或基因编辑植株性状可稳定遗传

a：含有Gus基因的转基因植株组织化学染色与对照组（左）；b：含有RUBY基因的转基因植株表型（左）与对照植株（右），比例尺 = 10 cm；c：TaWaxy编辑突变体与野生型Fielder（最左侧）成熟籽粒的I2-KI染色结果；比例尺 = 0.2 cm。

这套系统的转化效率最高可达78.4%；针对小麦淀粉合成关键基因TaWaxy的编辑效率更是高达92.7%，其中两个同源位点同时编辑的效率也达到了37.7%。

单倍体植株只有一套染色体，无法进行正常的减数分裂，因此不能产生种子。用秋水仙素或丙炔草胺处理，使染色体数目加倍，恢复其生育能力。经过染色体加倍后，初代（T0代）植株就已经是基因纯合的状态！科研人员对下一代（T1代）植株检测发现，所有转入的基因和编辑后的位点，都100%稳定遗传，没有出现任何性状分离，彻底打破了传统小麦转基因材料需要多代自交的技术瓶颈。

五、这项技术，到底能给小麦遗传改良带来什么？

这项小麦单倍体幼胚高效遗传转化体系，最直接的价值就是大大缩短了获得稳定遗传基因修饰植株的周期，从原来的3~5年直接压缩到1年以内。同时，单倍体幼胚的转化和编辑效率较高，能轻松地获得目标植株，解决了传统单倍体育种与基因编辑技术难以结合的痛点，为小麦及其他多倍体作物的遗传改良提供了新的技术路径。

作者：唐华丽（中国农业科学院作物科学研究所助理研究员）、王轲（中国农业科学院作物科学研究所研究员、作物基因资源与育种全国重点实验室技术骨干）

科学审核：马正强（南京农业大学农学院特聘教授、作物遗传与种质创新国家重点实验室副主任）

策划统筹：陆美斌

监制：徐琴

参考文献：

Han Z, Zhao B, Fan M, Zhang S, Peng H, Li X, Wang S, Huang W, Yao X, Yang C, Wang K, Ye X, Tang H. Rapid genetic stabilisation of transgenic and edited wheat through transformation of immature haploid embryos. Plant Biotechnol J, 2026, 24: 2143-2152 (https://doiorg/101111/pbi70477)

作者简介

唐华丽，助理研究员。近年来主要从事小麦遗传转化、基因编辑、育性相关基因及单倍体诱导机制等研究。创制了具有花青素可视化标记的小麦单倍体诱导系，建立了基于单倍体幼胚快速获得纯合转基因和基因编辑小麦新技术体系，并利用基因编辑技术创制了大麦单倍体诱导系。主持国家自然科学基金、宁夏自然科学基金等项目。以第一作者和通信作者在Plant Biotech J、Plant Commun J Genet Genom等期刊发表学术论文10余篇。

 王轲，研究员，博士生导师。长期从事小麦营养品质改良、小麦遗传转化及基因组编辑研究工作。在国内建立了高效的农杆菌介导的小麦遗传转化体系，无筛选标记基因转化体系及高效的小麦基因组编辑技术体系。利用再生基因基本解决小麦遗传转化的基因型依赖性问题。创制了富含花青素的紫色小麦、红色小麦、高叶酸小麦等小麦新种质。主持国家重大农业科技项目子课题、转基因生物新品种培育科技重大专项子课题、国家自然科学基金项目、宁夏重点研发项目等。获得国内专利5项，国际专利2项。以第一作者和通信作者身份在Nat Plants、Plant Biotech J、Food Chem等期刊发表论文40余篇。