科技创新进展：系统研究无融合生殖杂交水稻的遗传稳定性

近日，我所王克剑团队联合南京农业大学农学院张文利团队在植物学知名期刊Plant Communications杂志在线发表了题为“Synthetic apomixis enables stable transgenerational transmission of heterotic phenotypes in hybrid rice”的文章，该研究将无融合生殖Fix材料繁殖至T4世代，从植株表型、基因组、甲基化、转录组和亚基因组转录等层面比较了不同世代克隆材料，证实了无融合生殖杂交稻在不同世代间的遗传稳定性，为未来人工无融合生殖体系在作物中应用奠定了理论基础。

杂交稻的生产与应用大幅度提高了我国水稻产量，为我国粮食安全提供了重要保障。但是由于遗传分离，杂交稻种子后代无法再应用于农业生产，因此必须每年进行繁琐的制种工作。无融合生殖是一种通过种子进行克隆繁殖的无性生殖方式。在杂交稻中引入无融合生殖体系可以实现杂交稻自留种，被认为是杂交稻育种的最高目标。2019年，我所王克剑团队在杂交稻中建立了人工无融合生殖体系，实现了杂合基因型的固定，首次获得了杂交稻的克隆种子，证明了杂交稻进行自留种的可行性。但是，目前尚不清楚人工无融合生殖杂交稻的优异性状能否在不同世代间稳定遗传。而这一问题的解决是未来无融合生殖杂交稻走向生产应用的重要前提。

研究人员首先利用连续四个水稻种植季节时间将人工无融合生殖Fix材料加代繁殖至T3世代。然后，借助流式细胞仪鉴定了T0、T1、T2和T3世代Fix植株结实种子的倍性。结果发现，每个世代Fix植株均保持了无融合生殖特性，二倍体克隆种子比例在1.9%~3.2%，大部分种子为四倍体，并有极少量非整体出现(0.4%)。这些无融合生殖材料和野生型种植在同一季节同一地块，用于无融合生殖遗传稳定性研究。

图1 繁殖获得多世代Fix克隆植株

接着，研究人员重点聚焦同一季节种植的不同世代二倍体克隆植株，考察了抽穗期、分蘖数、株高、穗长、每穗粒数、千粒重等重要农艺性状，发现它们表型相似。尽管不同世代Fix材料的结实率明显低于野生型，但结实率在无融合生殖材料之间基本相同(5.7%~7.0%)，诱导率也很接近(3.0%~4.3%)。因此，在植株表型上，克隆植株后代保持了杂种F1代的优势表型。

图2 不同世代Fix植株表型比较

随后，研究人员分别从全基因组、甲基化、转录组、亚基因组转录表达等分子层面研究了无融合生殖的遗传稳定性。全基因组测序发现，不同世代无融合生殖材料与野生型一致，保持了基因组的杂合性。甲基化分析揭示了无融合生殖材料的CG、CHG和CHH甲基化水平在基因区和转录间区基本无变化。转录组数据发现，不同世代间无融合生殖材料绝大部分基因表达水平相近，也存在一些差异基因，但数目占比极低，与对照相比没有明显差异。亚基因组转录结果显示，野生型杂交稻中60%以上的双亲等位基因存在表达差异(等位基因表达比≠1:1)，并且这种现象在不同世代无融合生殖材料中得以保持。以上结果从不同分子层面揭示了无融合生殖体系的遗传稳定性。

该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院青年创新专项、海南省崖州湾种子实验室等项目的支持。我所刘朝雷助理研究员和南京农业大学农学院何泽学博士为该论文第一作者，我所王克剑研究员、王春研究员和南京农业大学张文利教授为该论文通讯作者。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346222003078?via%3Dihub=