固定水稻杂种优势：在水稻中组装超高效无融合生殖体系

以下文章来源于植物科学研究 ，作者袁黎

杂种优势是指在杂种后代中大部分农艺性状超越亲本的表现，是现代农业改良的基础。但是传统的杂种仅能在F1代中表现出超越亲本的优势，在随后的F2代中因为基因型的分离而出现优势的丢失。无融合生殖是指通过不完全减数分裂和激发卵细胞进行孤雌生殖等生殖过程，进而使后代为母体植物克隆的过程。将人工组装的无融合生殖过程引入到作物中，实现杂种植物的克隆生殖，一直以来被认为是“农业生产的圣杯”，是科学家们长期追逐的梦想。在过往的研究中，科学家们已经证明通过一系列的分子遗传操作可以将无融合生殖引入到有性生殖植物当中。但是，较低的无融合生殖效率，植物育性降低以及非自主化的过程等问题严重制约着该项技术的实际应用。令人为之振奋的是，最近在 Nature Communication 杂志发表的题为High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice 的文章表明：通过优化人工无融合生殖体系，通过“一步法”将其组装到杂种水稻中，可以实现遗传稳定且效率高达95%的种子克隆繁殖。

近日，Seed biology 在线发表了西北农林科技大学袁黎课题组题为Fixing hybrid vigor by synthetic apomixis: a dream come true 的评述文章，总结了水稻中无融合生殖研究的最新进展。

该文章首先总结了在有性生殖植物中实现无融合生殖的三个必要条件: 1. 不完全减数分裂（apomeiosis）；2. 孤雌生殖（parthenogenesis）；3. 胚乳的正常发育。已有研究证明“有丝分裂代替减数分裂”（MiMe）系统可以在单双子叶植物中有效的实现不减数、不重组的基因型和母本植物完全一致的雌雄配子。另外，Baby Boom（BBM）类AP2家族转录因子在单子叶植物可以实现高效的孤雌生殖。加州大学Sundaresan教授团队曾在水稻中组装无融合生殖，该方法分为两步：一是创制在卵细胞中异位表达BBM1的转基因植株；二是在该植株中突变体MiMe相关的基因。该方法可以在水稻中实现无融合生殖的效率达到10%-30%。

Sundaresan教授实验室进一步和法国Guiderdoni教授以及德国Mercier教授实验室合作，开发出了新型“一步法”的无融合生殖技术体系。主要是将MiMe体系和BBM介导的孤雌生殖诱导体系集成到一个载体中，通过转化杂种种子诱导产生的愈伤，得到无融合生殖的杂种水稻植株。令人惊奇的是，该无融合生殖系统的效率高达80%-97%。基因组重测序也表明该系统得到的植物后代为母体杂种的克隆，并且其生物学性状在连续几代的观测中和母体植物高度一致。

然而，在创制MiMe突变体的过程中，有时会观察到植物育性的降低。据推测，该现象和植物的遗传背景存在一定的关联。在上述研究中，科学家们也观察到了植株育性的降低。据分析认为，该现象可能与试验的温室环境和杂种创制过程中使用的雄性不育系统间的不利互作相关。另外，也可能和MiMe体系在雌配子产生过程中的效率相关。还有可能是与BBM启动的不完全胚胎发育相关，其真正原因有待进一步验证。

图一 传统的杂交水稻育种和人工组装无融合生殖的水稻育种

近日，中国水稻研究所王克剑研究员团队在 Molecular Plant 发表相关研究表明，OsBBM4也可以诱导水稻的孤雌生殖，通过将OsBBM4孤雌生殖系统和MiMe体系组合后转化水稻，得到了结实率几乎不受影响的无融合生殖杂交水稻植株，实现了对无融合生殖技术体系结实率的大幅提升，解决了该技术体系中的一个关键问题。

总之，通过科学家们的不断努力，越来越多的证据表明：在杂种水稻中通过简单的“一步法”转化，即可实现高效的无融合生殖，其效率已经达到了可以实践应用的水平。对于广大育种学家来说，这是“梦想成真”的科学进步。

袁黎教授课题组长期从事西甜瓜生殖生物学研究。西北农林科技大学园艺学院博士生刘启彦为该论文的第一作者，西北农林科技大学园艺学院刘曼副教授和袁黎教授为该论文的通讯作者。研究人员得到了国家级青年人才计划和广东省重点研发计划等的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.48130/SeedBio-2023-0002

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！