水稻基因组编辑及无融合生殖创新团队合作在双子叶杂交植物中建立可自繁种的人工无融合生殖体系

来源：中国水稻研究所作者：重点实验室发布时间：2024-12-05

近日，水稻所水稻基因组编辑及无融合生殖创新团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所李红菊团队合作在Science Bulletin发表了题为“Self-propagated clonal seed production in dicotyledonous Arabidopsis ”的研究论文。该研究成功将无融合生殖特性引入到拟南芥中，证实了通过人工设计引入无融合生殖特性从而实现双子叶杂交植物自繁种的可行性，为未来在更多双子叶植物中开展人工无融合生殖固定杂种优势研究提供重要借鉴。

杂种优势是指杂交后代在生物量、产量和适应性等方面较亲本表现出显著优势的现象。杂种优势在单双子叶植物中均广泛存在，例如：单子叶植物水稻和玉米等，双子叶植物大豆和棉花等均表现出较强的杂种优势。然而，由于遗传分离，杂交作物的优势性状无法传递到下一代。因此，为了实现杂交作物的生产应用，每年需要耗费大量的人力、物力和土地资源进行繁琐的杂交制种工作，而且还存在着受不利天气等影响导致制种失败的风险。

无融合生殖是一种通过克隆种子进行无性繁殖的特殊生殖方式，可以使杂交植物的杂合基因型在后代中不发生分离，从而解决杂交植物无法留种的难题。在自然界中，已发现有400多种植物可以通过无融合生殖产生克隆种子，但在主要农作物中并不存在该生殖方式。2019年，王克剑团队首次建立了杂交水稻无融合生殖的 Fix （ Fixation of hybrids ）体系，成功获得了杂交水稻的克隆种子，实现了杂交水稻无融合生殖从“0到1”的突破，证实杂交水稻自繁种的可行性。随后该团队又深入挖掘利用新的水稻内源基因，建立了完全正常结实的杂交稻无融合生殖体系 Fix 2 和保持正常结实率前提下表现出更高克隆效率的无融合生殖体系 Fix3 。然而，目前尚不清楚能否在双子叶杂交植物中建立可自繁种的人工无融合生殖体系。

研究团队以不具备无融合生殖特性的双子叶模式植物拟南芥为研究对象。研究人员首先通过人工杂交创制了杂合背景的拟南芥材料，随后利用多基因编辑系统在该杂合材料中同时敲除了减数分裂相关的三个关键基因（ AtOSD1 、 AtSPO11 -1和 AtREC8 ）和受精过程的两个关键基因（ At DMP8 和 AtDMP9 ）得到 AtFix 1 （ Fixation of hybrids 1 in Arabidopsis ）材料，在将减数分裂转变成类似有丝分裂产生克隆卵细胞的同时，干扰了卵细胞的正常受精，从而诱导克隆卵细胞进一步发育成克隆胚，并最终形成克隆种子和后代。