自然：科學家實現水稻無性繁殖，雜交水稻關鍵技術突破_風聞

本研究的第一作者 Imtiyaz Khanday 博士（左）與通訊作者 Venkatesan Sundaresan 教授（右）（圖片來源：Karin Higgins/UC Davis）

雜交稻給全球糧食短缺問題帶來了良方。但是有個問題就是會出現性狀分離，如果也能利用水稻的種子實現無性繁殖，不就可以輕鬆維持雜交水稻的高產性狀了嗎？最新研究讓水稻實現了無性繁殖，找到了維持雜交稻優良性狀的方法。

來源丨學術經緯 （ID：Global_Academia）

説到水稻，也許很多人會想起袁隆平和他的雜交稻。學界普遍認為，袁隆平是首位成功改變水稻自花授粉的特點，且帶來大規模雜交稻生產的科學家。他帶來的優良雜交稻，產量比最優秀的自交品種還要高出20%。他的成功堪稱奇蹟，為解決全球糧食短缺問題帶來了重要的解決方案。而袁隆平本人，也被稱為是“雜交水稻之父”。

雜交水稻雖然性狀優良，但在育種和種植上，卻不如普通水稻來得那麼簡便，這也正是許多雜交作物的通病——在有性繁殖的過程中，帶來高產量等優良特性的遺傳物質，會出現分離。這樣一來，雜交作物的後代，往往無法保持同樣的優良性狀。因此，農學家們每年都要重新進行育種，而種植雜交作物的農民們也需要每年購買新的種子。

先前，科學家們發現大約有400種植物具有特殊的“無性繁殖”能力。它們無需受精，就能產生可繁育後代的種子。不考慮突變的前提下，通過這種繁殖方式產生的後代，遺傳物質與親本可謂如出一轍。如果也能利用水稻的種子實現無性繁殖，不就可以輕鬆維持雜交水稻的高產性狀了嗎？

為了實現這個技術突破，來自加州大學戴維斯分校（UC Davis）的一支研究團隊首先想要了解在植物發育過程中，受精卵想要變成胚胎，背後有着怎樣的分子生物學通路。他們發現在水稻裏，有一個叫做“嬰兒潮”（Baby Boom，縮寫BBM）的基因家族。其中，有一條BBM1基因只在精子裏表達。在精子與卵子結合之後，受精卵裏的BBM1活性，也主要來自於精子的貢獻。

科學家們敏鋭地指出，BBM1有可能是啓動胚胎髮育的“開關”。為了測試這個想法，他們敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，觀察胚胎髮育是否會有變化。果不其然，在幾條BBM基因失去功能之後，水稻的胚胎髮育也隨之終止。

更重要的是，在這三重突變體裏引入BBM1基因，可以重新啓動胚胎髮育過程。

BBM1基因是啓動胚胎髮育的開關（圖片來源：參考資料[1]）

讓我們來整理一下科學家們的發現：在受精卵中，有着植物發育所需的完整基因組。只要提供BBM1基因，就能讓受精卵變成胚胎，啓動後續的發育過程。

這打開了通往水稻種子無性繁殖的大門。

充滿創意的研究人員們**利用基因編輯手段，去除了水稻的“減數分裂”能力。**這樣一來，它們產生的卵細胞只會經歷“有絲分裂”，依舊帶有所有的染色體。隨後，研究人員們讓這些卵細胞表達BBM1。正如他們所預期的那樣，這些卵細胞無需受精，就可以變成胚胎。

這樣做的好處在於，產生優良性狀的遺傳物質不會分離，因此性狀較難丟失。

研究人員們跳過了減數分裂這一步，產生了具有完整基因組的卵細胞（圖片來源：參考資料[1]）

“我們有一個雙倍體的卵細胞，它能形成胚胎，長成一個克隆體。”本研究的通訊作者 Venkatesan Sundaresan 教授説道。

這些克隆體，能否保持雜交水稻的優良性狀呢？在一項實驗中，研究人員們使用這種技術，培育了多代水稻。通過全基因組測序，以及隨機SNP驗證的方法，科學家們證實，這些後代都具有預期的遺傳多樣性，表明的確可以通過這一技術，對雜交水稻進行無性繁殖。

曾幾何時，利用主要作物的種子進行無性繁殖，被認為是農業上的一大聖盃。如今，這一難關已被科學家們攻克。正如 Sundaresan 教授所言，這項工作“有望為農業帶來變革”。據估計，到2050年，地球的總人口將接近100億。為了填飽那麼多人的肚子，我們期待未來能有更多重磅農業突破降臨。

參考資料：

[1] Imtiyaz Khanday et al., (2018), A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0785-8

[2] A World-Brand Name: Yuan Longping, The Father of Hybrid Rice, Retrieved December 12, 2018, from https://www.worldfoodprize.org/index.cfm/87428/40007/a_worldbrand_name_yuan_longping_the_father_of_hybrid_rice

[3] Rice plants that grow as clones from seed, Retrieved December 12, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-12/uoc--rpt121018.php

本文轉載自公眾號“學術經緯”（ID:Global_Academia）

引用鏈接：http://www.agrogene.cn/info-5387.shtml