安调过/李立会团队：利用黑麦促进小麦育种改良策略

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作为全球三大主粮之一，小麦（Triticum aestivum L.）在保障粮食安全中发挥着至关重要的作用。然而，近年来小麦产量增益速度显著放缓，生物与非生物逆境胁迫不断加剧，现有育种资源难以满足小麦育种对高产、稳产与抗逆性日益增长的需求，亟需引入新的、突破性的优异基因源，拓宽小麦的遗传基础以实现持续改良。黑麦（Secale cereale L.）作为小麦的近缘属，因其丰富的遗传多样性和强大的环境适应能力，长期作为小麦远缘杂交关键基因供体，代表性的T1RS·1BL易位系已广泛应用于全球小麦育种。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心安调过研究员团队与崖州湾国家实验室李立会研究员合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology发表综述“Advancing wheat breeding using rye: a key contribution to wheat breeding history”。文章系统回顾了黑麦在小麦育种中的历史贡献，并深入探讨了黑麦在现代生物技术、多维组学数据融合与人工智能辅助下释放遗传潜力的路径与前景。文章第一作者为韩帼豪副研究员。

黑麦是拓宽小麦遗传基础的优异基因源

长期以来，以高产为导向的驯化和育种显著降低了小麦的遗传多样性，使当前主栽品种在应对复杂环境与病虫害时愈显脆弱，现有育种资源难以支撑持续改良的需求。在此背景下，携带丰富抗病、抗逆及优异农艺性状基因的小麦近缘属种，被视为拓展遗传基础、突破育种瓶颈的重要外源基因库。黑麦（Secale cereale L.）是与小麦亲缘关系密切的二倍体禾本科物种，广泛分布于全球温带地区，具有优异的环境适应能力，能够在干旱、寒冷、高海拔和贫瘠土壤等环境中稳定生长。它的双位点配子体自交不亲和系统保证了高度异质性，维持了其显著的遗传多样性与进化优势。通过远缘杂交与染色体工程技术，黑麦中的抗病、抗逆与产量相关基因通过附加系、代换系与易位系等被有效导入普通小麦，众多材料已成功应用于实际育种工作，成为重要的功能基因来源。此外，人工合成的小黑麦作为小麦与黑麦杂交的双二倍体新物种，结合了小麦的高产优质特性与黑麦的抗逆性，已被广泛用于饲料、能源作物和逆境育种等领域。

黑麦优良基因转移对小麦抗性和产量性状的改良

黑麦携带的优良基因资源，在增强小麦对生物和非生物胁迫的适应能力方面展现出巨大潜力。尤其是基于Petkus黑麦1RS染色体臂创建的T1RS·1BL易位系，因同时携带Pm8、Yr9、Lr26和Sr31等多个抗病基因，且表现出良好的丰产性和广适性，已成为全球小麦抗病育种的经典材料。此外，黑麦的2R、3R、6R等染色体上也携带多种抗病基因。黑麦在非生物胁迫条件下也表现出色，1RS染色体能够显著改善根系结构和水分利用效率，有效提升小麦在干旱条件下的适应能力。此外，黑麦还携带一系列与金属耐受和低温抗性相关的重要基因，如耐铝、耐铜以及低温适应性相关的关键基因或QTL。在产量性状方面，黑麦1RS染色体的导入可有效提高小麦的千粒重和地上部生物量，成为高产育种中的重要遗传工具。尽管黑麦携带大量与抗逆及产量相关的优良基因，但由于受遗传调控网络和环境因素的复杂影响，表达稳定性较差，目前相关基因的利用率仍偏低。因此，深入解析这些复杂性状的遗传与调控机制，是推动黑麦优异基因在小麦中高效利用的关键所在。

黑麦基因组庞大、重复序列占比高且具有高度异质性，给染色体组装与功能基因解析带来了极大的挑战。2021年，欧洲栽培黑麦Lo7和中国栽培黑麦威宁两份高质量参考基因组发布，系统揭示了黑麦基因组的结构变异、进化特征和重要农艺性状的关键基因，为优异基因的识别、转移与利用提供了精准坐标，标志着黑麦基因组研究迈入精细解析的新阶段。

图1 黑麦在小麦改良中的历史贡献与持续利用

黑麦在小麦育种改良中的利用策略优化

创制高效、稳定的黑麦小片段易位系：在外源基因的育种利用中，小片段易位系因遗传稳定、连锁累赘少而广受青睐。相比传统创制方法，如辐射诱变、ph1b突变体诱导同源染色体配对易引发染色体重排与不良农艺性状等问题，未来可通过精细调控同源配对基因并结合快速育种技术，提高优异易位系的创制效率与纯合速度。

提高黑麦染色体片段的检测精度与效率：高通量、精准检测是识别黑麦导入片段的关键。基因组原位杂交（GISH）和荧光原位杂交（FISH）及非变性荧光原位杂交（ND-FISH）技术的发展显著改善了染色质可视化的精度与效率，配合不断发展的DNA标记技术，进一步增强了对黑麦染色质的追踪与定位能力。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，向更高精度和更高通量发展。

加快黑麦功能基因的克隆：黑麦来源的抗性（R）基因广泛应用于小麦抗病育种，克隆这些基因有助于深入解析其作用机制，打破远缘杂交带来的连锁累赘，提高育种效率。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通过靶向富集NBS-LRR类序列实现了低成本、高效率的基因捕获；MutRenSeq、MutRNASeq和MutIsoSeq等技术结合EMS诱变与先进测序手段，能够快速识别与表型关联的突变位点。

借助遗传转化与编辑技术实现黑麦基因的精准利用：克隆黑麦优异基因后，相比传统杂交，遗传转化可精确导入目标基因，有效规避连锁累赘并节省时间，转基因技术也可实现多个抗病基因在小麦中的聚合与共表达。CRISPR等基因组编辑技术可以促进遗传重组，具有促进黑麦染色体片段导入与等位基因聚合的潜力。尽管当前在染色体重排、脱靶控制等方面仍有挑战，但随着新型编辑系统的发展以及对修复通路与多倍体基因组特性的优化，黑麦基因的精准设计与高效应用将更加可行可控。

AI辅助育种助力黑麦基因的全面精准设计：在多维组学与大规模表型数据日益丰富的背景下，人工智能正为小麦育种注入新动能。基因组选择、机器学习和深度学习等技术可高效整合基因型、表型与环境数据，有望解析黑麦基因在小麦背景下的复杂调控关系，并预测其育种表现。与此同时，AI驱动的高通量表型评价平台正在改变性状的传统测量方式，通过图像识别和无人机监测等手段，实现抗病、抗旱节水、养分高效、产量等关键性状的精准识别与动态跟踪。

图2 黑麦在小麦改良中的优化利用策略框架

总结与展望

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快速发展为更有效地利用黑麦基因带来了新的机遇。然而，连锁累赘、重组抑制以及基因间的复杂互作仍是制约其深入利用的核心瓶颈。借助大数据与AI赋能的精准育种体系，应系统整合多组学平台与先进生物技术，推进黑麦优异基因的精准挖掘与高效利用。实现黑麦资源的全球共享与高效利用，需要国际合作的持续推动。通过全球共享高质量基因型与表型数据、联合多环境田间试验、共建信息平台，将加速黑麦优异性状的精准定位与适应性评价，推动优异基因资源在全球小麦育种中的深度应用。

本文参考文献（上线划动查看）

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论文作者介绍

李立会

 研究员

李立会，博士生导师，崖州湾国家实验室小麦团队首席科学家，农业部有突出贡献的中青年科学专家，入选农业部"神农计划"，享受国务院特殊津贴。潜心小麦种质资源研究37年，在小麦与冰草属属间远缘杂交、种质资源精准鉴定与共性技术研发等方面取得重大突破。以第一完成人获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖各1项，以主要完成人获国家科技进步二等奖和三等奖各1项，发表学术论文百余篇，获得多项发明专利和植物新品种权，获中国青年科技奖、全国工人先锋号等荣誉。

安调过

 研究员

安调过，博士生导师，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心作物设计育种科研大团队首席科学家。承担完成了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等多项科研任务；以第一作者或通讯作者在国际知名期刊上发表SCI论文50余篇，获授权国家发明专利15项；作为主要完成人，选育出多个小麦新品种，两次获国家科技进步二等奖，两次获神农中华农业科技奖一等奖，获中国科学院科技进步一等奖。团队长期开展小麦染色体工程材料的创制、抗病和重要农艺性状基因/QTL的发掘、精细定位与克隆及分子设计育种等。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社

旗下期刊Trends in Biotechnology

▌论文标题：

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

▌论文网址：

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

▌DOI：

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