仅靠基因组编辑就能产生高生育力的克隆种子吗？

　　合成无融合生殖技术的发展使得杂种优势得以固定，有望改变传统的杂交育种策略，引发农业生产新一轮绿色革命。目前，完全基于基因组编辑构建的合成无融合生殖系统育性较低，限制了其实际应用。近日，中国水稻研究所Kejian Wang研究团队通过基因组编辑技术，将MiMe相关基因与OsPLDα2基因组合，构建了名为Fix4（Fixation of hybrids 4）的新型无融合生殖系统。该系统不仅能够产生稳定、可遗传的克隆种子，而且结实率正常，为加速无融合生殖技术在杂交水稻生产中的应用提供了理论支撑和创新解决方案。

　　

合成无融合生殖技术的开发使得杂种优势固定成为可能，有望改变传统的杂交育种策略，引发农业生产新一轮绿色革命。目前，完全基于基因组编辑构建的合成无融合生殖系统育性较低，限制了其实际应用。近日，中国水稻研究所Kejian Wang研究团队通过基因组编辑技术，将MiMe相关基因与OsPLDα2基因组合，构建了名为Fix4（Fixation of hybrids 4 ）的新型无融合生殖系统。该系统不仅能够产生稳定可遗传的克隆种子，而且结实率正常，为加速无融合生殖技术在杂交水稻生产中的应用提供了理论支撑和创新解决方案。

杂种优势，即异花授粉植物比自花授粉植物具有更高的产量和更强的抗性，长期以来一直被杂交种子行业所利用，代表着现代农业的里程碑式创新之一。然而，与自交系种子不同，由于遗传和表型分离，从杂交植物中收获的种子无法用于后代生产。因此，杂交种子必须每年生产，这是一个劳动密集型、成本高昂且对环境要求高的过程，使得杂交种子比自交系种子更昂贵。无融合生殖是一种无性繁殖形式，产生的种子与母本的基因组成完全相同。尽管自然无融合生殖已在400多种植物中进化，但这种宝贵的性状在主要作物中却明显缺失。因此，将无融合生殖基因渗入作物被认为是农业的圣杯，并引起了植物生物学家和种子行业的浓厚兴趣。

近年来，人们已通过结合减数分裂和受精的改造，在水稻中构建了合成无融合生殖系统。根据所用技术，这些系统可分为两种策略。第一种策略是将MiMe（有丝分裂而非减数分裂）与卵细胞中孤雌生殖相关基因（例如OsBBM1、OsBBM4、ToPAR、OsWUS ）的异位表达相结合；第二种策略是将MiMe与单倍体诱导基因（例如OsMTL）的突变相结合。“通过利用CRISPR/Cas9同时编辑MiMe相关基因和OsMTL，我们在杂交水稻合成无融合生殖领域取得了奠基性突破——从概念到现实，”该研究的通讯作者、中国水稻研究所（CNRRI）首席研究员Kejian Wang博士说道。 “ MiMe - Osmtl系统完全依赖于基因组编辑技术。然而，该系统的结实率非常低，这主要是由于OsMTL基因突变引起的负面影响。”

OsPLDα2基因编码一种特异定位于成熟水稻花粉的磷脂酶，突变后表现出单倍体诱导能力，并且显著地不降低育性。“这一发现激发了我们的好奇心：利用该基因能否为建立维持高结实率的杂交水稻无融合生殖系统铺平道路？”该研究的第一作者、中国水稻研究所博士研究生Fengyue Hu说道。他们进一步利用CRISPR/Cas9技术，同时突变MiMe相关基因（OsOSD1、OsPAIR1、OsREC8）和OsPLDα2，从而在杂交水稻中建立了杂交水稻杂交固定系统4（Fix4）。正如预期的那样，新建立的合成无融合生殖系统Fix4诱导出了可遗传的克隆种子，并维持了与野生型植物相当的正常结实率。

“多年来，我们一直在尝试寻找新的单倍体诱导基因来替代OsMTL基因。目标基因不仅应具有单倍体诱导能力，而且还应不表现出任何负面影响，”该研究的共同第一作者、中国水稻研究所副研究员Chaolei Liu博士强调道。“我们已经鉴定出OsPLDα2基因，它不仅在水稻中表现出单倍体诱导能力，而且在包括玉米和卷心菜在内的多种作物中也表现出功能保守性，这突显了其在单子叶植物和双子叶植物中的广泛适用性。”

Kejian Wang博士展望道：“未来，如果能将这个新系统与瞬时转化技术相结合，或许能够开发出不含转基因的合成无融合生殖系统。此外，我们正在探索提高克隆种子效率的策略，并设计出兼具高育性和高诱导率的非转基因无融合生殖系统。”