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精准设计育种实现突破！HI-Edit技术打破蔬菜育种瓶颈

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2025-11-11

在全球粮食安全与营养需求日益增长的背景下，精准作物育种技术正经历从传统经验驱动向基因编辑精准设计的范式转变。2025年6月，中国农业科学院蔬菜花卉研究所吕红豪研究员团队在国际权威期刊《整合植物生物学》（Journal of Integrative Plant Biology）发表研究，首次在双子叶作物甘蓝中建立“HI-Edit”技术体系，通过单倍体诱导与基因编辑的融合，实现了花青素含量的精准调控，为蔬菜功能性育种提供了高效、无转基因的解决方案。这一成果标志着精准设计育种从理论探索迈向产业化应用的关键阶段。

精准设计育种实现突破！：HI-Edit技术打破蔬菜育种瓶颈

技术突破：HI-Edit破解双子叶作物精准育种难题
传统育种依赖自然变异与杂交选择，周期长且效率低；双单倍体（DH）技术虽能加速纯合体获得，但依赖组织培养，对基因型敏感。
近年来，基于CENH3（着丝粒组蛋白3）基因的单倍体诱导（HI）技术为单子叶作物（如玉米）育种带来革命性突破，但其跨物种应用长期受限。
吕红豪团队以甘蓝为模型，首次将HI技术与CRISPR/Cas9基因编辑结合，构建了适用于十字花科作物的HI-Edit体系。
研究团队从甘蓝基因组中筛选出12个CENH3同源基因，发现BoCENH3基因在花芽与雌蕊中高表达，且与玉米ZmCENH3基因相似度达80%。
通过构建四种编辑策略——敲除BoCENH3、敲除同时导入同义突变体、转入ZmCENH3及转入非同义突变体（BoCENH3-E92K）——团队验证了ZmCENH3-1的诱导效率最优，单倍体诱导率达1.23%-1.79%。
这一发现为HI-Edit技术跨物种应用奠定了基础。
花青素精准调控：从实验室到市场的育种实践
花青素作为强抗氧化剂，其含量直接影响蔬菜的营养价值与市场吸引力。
市场亟需两类甘蓝品种：无花青素的绿色甘蓝（用于特定烹饪场景）与花青素含量适中、口感柔嫩的淡紫色沙拉型甘蓝。
研究团队通过CRISPR/Cas9编辑甘蓝中两个关键基因——促进花青素合成的NAL1（编码DFR-like蛋白）与抑制合成的MYBL2（转录抑制因子）
，成功获得两类突变体：nal1突变体（完全绿色，无花青素）与mybl2突变体（浅紫色，花青素增加）。
进一步，团队将HI-Editor（nal1）与HI-Editor（mybl2）分别与优良自交系S1杂交，测试其诱导目标基因编辑单倍体的能力。
结果显示，S1×HI-Editor（nal1）杂交后代中，0.47%的个体为完全绿色单倍体；S1×HI-Editor（mybl2）杂交后代中，0.21%的个体为紫色单倍体。
经染色体加倍后，S1DH（mybl2）叶片花青素含量达308μg/g，是原始品种S1（189μg/g）的1.63倍，而S1DH（nal1）则完全不含花青素。
这一成果验证了HI-Edit技术“一代获得纯合体、精准编辑目标基因、最终产品无外来转基因”的核心优势。
技术优势与产业前景：从营养改良到抗性提升
HI-Edit技术的突破性在于其“快、准、净”三大特性。传统育种需6-8代才能获得纯合体，而HI-Edit通过单倍体诱导与基因编辑的同步进行，可将周期缩短至1代；CRISPR/Cas9系统确保目标基因的精准编辑，避免脱靶效应；最终产品不含Cas9转基因元件，符合国际非转基因作物标准，为出口贸易扫清障碍。
该技术不仅适用于花青素调控，还可拓展至抗病、抗逆、抗虫等复杂性状的改良。
例如，通过编辑抗病相关基因（如NPR1），可快速培育对黑斑病、软腐病具有高抗性的甘蓝品种；通过调控抗逆基因（如DREB），可增强作物对干旱、盐碱的耐受性。吕红豪团队指出，HI-Edit技术体系已具备向其他十字花科作物（如西兰花、芥菜）推广的潜力，未来或推动整个蔬菜产业的育种效率革命。
产业化路径：技术落地与市场对接
目前，团队正与多家种业企业合作，推进HI-Edit甘蓝的商业化进程。绿色甘蓝品种可满足餐饮行业对食材色泽一致性的需求，淡紫色沙拉型甘蓝则契合健康消费趋势，预计将占据高端生鲜市场10%以上的份额。
同时，技术授权与种质资源共享模式正在探索中，旨在降低中小育种企业的技术门槛，推动行业整体升级。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所所长张友军表示：“HI-Edit技术是精准设计育种领域的重要里程碑。它不仅解决了双子叶作物单倍体诱导的技术瓶颈，更为营养强化、功能型蔬菜的开发提供了高效工具。随着技术体系的完善，我国蔬菜育种将从‘经验驱动’转向‘数据与基因驱动’，为全球粮食安全贡献中国方案。”
HI-Edit技术的诞生，标志着精准设计育种从实验室走向田间地头的关键一步。
通过单倍体诱导与基因编辑的深度融合，育种家得以像“工程师”般精准设计作物性状，在缩短周期、提升效率的同时，确保产品的安全性与市场适应性。这一技术不仅为蔬菜产业注入新动能，更为全球作物改良提供了可复制、可推广的创新范式。未来，随着HI-Edit在更多作物中的应用，精准设计育种或将重塑农业生产的底层逻辑，引领一场静默而深刻的绿色革命。
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