在20世纪80年代，知名的小麦遗传学家Moshe Feldman和E.R. Sears强调了野生基因资源的利用对于未来谷物改良的重要性，他们认为这是最大的希望所在（Feldman and Sears, Scientific American, 1981）。这一观点引发了广泛关注，并促使全球范围内展开了小麦与远缘物种杂交的研究，合成了大量双二倍体材料。Kihala首次提出了染色体组的概念并建立了分析方法，对多倍体研究产生了深远影响。而Stebbins早在1947年就建立了染色体基数和分析的方法，这些方法至今仍是植物遗传学研究的重要工具（Stebbins, Advances in Genetics, 1947）。
到了1950年代，Riley和Sears的研究揭示了Ph1基因在小麦基因组中的重要作用，它影响着同源染色体的配对（Riley, Nature, 1958; Sears, Brookhaven Symposia in Biology, 1956）。Sears还使用中国春小麦（源自四川，也称作中国白），创建了一系列重要的染色体工程材料，如单体、端体、双端体和缺四体，这些材料至今仍在基因组研究中广泛使用（Sears, Mo Agric Exp Stn Res Bull, 1954）。随着染色体操作技术的进步，该领域已经取得了显著进展，现代植物染色体工程旨在通过改变染色体的数量和结构来定向改造植物的遗传特性，其应用包括人工合成新物种、引入异源有利基因到栽培种以及改善作物性状等。
中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组专注于小麦远缘杂交和染色体工程育种，他们的工作成果显著。该团队成功创制了小黑麦及黑麦附加系，并克隆了1B/1R易位系上的条锈病抗性基因Yr9，以及发现了新的广谱抗性基因。他们还利用二倍体长穗偃麦草的野生基因，培育出了具有中度抗赤霉病能力的小麦新品种“中科166”和“中科1878”，这些品种已经在农业上得到广泛应用，并被多家育种单位用作亲本进行杂交育种。此外，他们通过小麦-中间偃麦草的端体附加系开发了含有高抗条锈病基因的新品系“中科15”和“中科78”。
韩方普团队还系统地将外源染色体片段导入小麦，建立了一系列易位系，并育成新品种。他们撰写的综述文章回顾了染色体工程在农作物中引入优异基因的经典案例，例如1BL/1RS易位系提高了小麦的抗病性和产量（Liu et al., New Phytologist, 2023；Liu et al., Sci China Life Sci, 2024），以及6VS/6AL易位系增强了小麦对白粉病的抗性（Chen et al., TAG, 1995）。同时，文章探讨了利用电离辐射、Ph1基因和杀配子染色体技术创造小片段易位系的方法，并介绍了最新的染色体工程技术，如通过着丝粒介导技术创建人工小染色体、CENH3基因编辑产生单倍体，以及KaryoCreate技术诱导非整倍性变异等。
图1：外源染色体片段在小麦中的整合
图2：小麦外源染色体易位系的开发方法
图3：操控着丝粒产生单倍体、人工小染色体和非整倍体
近年来，CRISPR/Cas技术作为基因组编辑领域的关键技术，使得研究人员能够精确进行染色体重排，包括倒位和易位等大规模结构变异，为作物的遗传改良提供了前所未有的可能性。CRISPR/Cas的应用不仅加速了植物染色体工程的发展，也为作物改良带来了新的机遇，标志着植物育种研究进入了一个新时代。
图4：CRISPR介导的植物染色体工程
该研究成果以“Past Innovations and Future Possibilities in Plant Chromosome Engineering”为题于2024年12月2日发表于Plant Biotechnology Journal，韩方普研究组刘阳副研究员、刘倩博士、博士研究生易从杨和刘畅博士为文章共同第一作者。韩方普研究员为通讯作者。该研究得到生物育种重大项目和国家自然科学基金委重大项目的资助。
