突破！利用基因编辑实现杂交水稻高效无性繁殖，并在后代保持F1杂种的表型

以下文章来源于植物生物技术Pbj ，作者H.YX

杂种优势已在作物中得到广泛应用，特别是通过在种子作物中培育表现出优异产量潜力和稳定性的F1杂交种子。然而，F2后代种子容易发生性状分离，因此，F1杂交种子必须在每个作物季节更换。水稻异交率较低，F1杂交种子的生产依赖于复杂的雄性不育系统的实施，导致杂交种子成本较高。因此，杂交水稻的传播基本上仅限于具有高效和完善的种子生产和分配系统的地区。因此，杂交稻的效益尚未惠及大量稻农，杂交稻更高的生产潜力、在环境波动下的稳定性以及更低的投入需求在很大程度上仍未得到开发。

无融合生殖是雄性不育系统的一个革命性替换方案，通过种子进行无性繁殖，随着世代更迭而不改变杂交品种的杂合基因型，使得杂交后代不发生性状分离。无融合生殖在自交系水稻中被证明是可行的，研究人员利用 CRISPR/Cas9编辑技术敲除三个与减数分裂相关的基因，并在卵细胞中异位表达 BBM1，最终使这些水稻品系能够在不经过减数分裂，使卵细胞直接发育成胚进而完成无融合生殖过程，无融合生殖水稻植株以10-30%的比率产生克隆种子，但是无融合生殖种子的形成比率仍然太低，无法设想该技术在农业中的应用。

近日，科研人员在国际知名期刊Nature Communications上发表“High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice”的研究文章，该研究将CRISPR/Cas9介导的MiMe失活系统和孤雌生殖诱导系统一次性构建到同一个T-DNA上，在卵特异性启动子的作用下，可以在水稻的F1杂种中实现高效无融合生殖，二倍体比率大大提高，且无融合生殖植物在连续世代中保持F1杂种的表型。

研究人员将商业F1杂交种BRS-CIRAD 302选为水稻无融合生殖研究的模式品种，构建了三个载体，第一个载体（T313）通过利用 CRISPR/Cas9编辑技术敲除PAIR1, REC8, OSD1,（此三突材料命名为MiMe）抑制减数分裂；第二个载体（T314）在T313背景上增加了携带由拟南芥的卵细胞特异性启动子EC1.2驱动的水稻的BBM1基因；第三个载体（T315）在T314基础上，用水稻内源卵特异性启动子（ECA1.1）驱动OsBBM1基因.基于农杆菌介导的遗传转化，T313、T314和T315分别产生41、49和88个T0转化体，可育T0植株的频率平均分别为53%、49%和44%。

图1 T314和T315转化事件的后代植物的倍性和基因型

研究人员在所检测的T313、T314和T315可育T0植物群体中鉴定了4、10和18个MiMe突变体，其中，T313的所有后代植物都是四倍体，而T314中的9个、T315中的13个产生了80%以上的二倍体后代，表明在T0 T314和T315 MiMe事件中，从卵细胞诱导孤雌生殖植物的频率非常高。为了确定这种高频率在各代之间是否保持稳定，研究人员选择了两个T314（15.1和37.7）和四个T315（3.2、5.4、8.1和8.2）事件，它们以超过92%的比率产生二倍体后代（T1），对每株系5个T1植株的T2后代植株的倍性水平的测定表明，二倍体的频率非常高，接着分析了此四个事件中三个T2植物的T3后代植物。发现T3种子的发芽率接近100%。四个事件的平均二倍体植株形成频率高于90%。为了进一步测试克隆繁殖是否发生，研究人员对1F和D24亲本、BRS-IRAD 302、F2后代、2个T0（事件15.1和37.7）以及6个T1和18个T2后代进行了全基因组测序，所有T0、T1和T2植物在整个基因组中保留了杂合亲本基因型，表明它们是完全克隆的，表明，通过结合MiMe突变和BBM1的卵细胞表达诱导的合成无融合生殖，允许F1杂种通过种子进行非常有效的克隆繁殖。

表1 T313、T314、T315 T1植株的倍型

表2 T314、T315 T2和T3代中二倍体植物的频率

为了测试BRS-IRAD 302杂交种中实现无融合生殖的高频率是杂交遗传背景的结果还是一体化构建设计的结果，研究人员将T314和T315遗传转化进Kitaake品种。结果和BRS-IRAD 302相似，表明无融合生殖的高频率是一体化构建设计的结果。研究人员对无融合生殖系进行表型考察，发现它们表现出与F1杂种相似的大致一致的表型。与BRS-IRAD 302对照植物相比，无融合生殖系的结实率略有降低，，平均籽粒灌浆率在2 7–35.5%范围内，接着，研究人员研究了无融合生殖系与F1杂种收获的谷物的差异，发现与从F1杂种收获的有性F2种子相比，在无融合杂种植物上收获的克隆种子的胚乳显示出完全相同的形状和未改变的功能质量特征。

图2 T314和T315后代植株的表型、穗育性和籽粒质量。

拥有一种将杂交种转化为无融合生殖的有效工具将是非常有价值的。无融合生殖使得育种者能够利用F1杂交种的优异的产量表现和稳定性，以及表现出生物和非生物胁迫耐受性，从而更好地应对全球气候变化和粮食需求增加带来的挑战。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35679-3

转自：“iPlants”微信公众号

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