作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/2 18:56:57
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无融合生殖:如何从“1”到“多”

左图:正常杂交水稻品种春优84;右图:无融合生殖杂交水稻。王克剑供图

 

王克剑(左)在实验田观察水稻生长情况。王克剑供图

 

植物无融合生殖的生物学基础是什么?长期以来,科学家对这个问题非常好奇,但一直没有找到答案。

中国水稻研究所研究员王克剑在接受《中国科学报》采访时说,无融合生殖是植物中自然存在的一种现象,是实现作物杂种优势固定的生物学基础。然而,无融合生殖的形成机制十分复杂,涉及到减数分裂过程、植物双受精过程等多个植物生殖基本问题。

“多年来,经过多国科学家的努力,无融合生殖的研究进展依然缓慢。破解无融合生殖的生物学机理,为未来实现杂种优势固定奠定理论基础,具有非常重要的科学意义和应用前景。”中国科学院院士钱前告诉《中国科学报》。

 

农业研究领域的“圣杯”

杂种优势是自然界普遍存在的一种现象,是指两个遗传基础不同的品种间或相近物种间进行杂交,其杂交子一代在生长势、生活力、适应性和产量等性状上优于双亲的现象。

上个世纪70年代,以发现野生稻败育株为契机,我国首先实现了杂交稻“三系”配套。“三系”杂交稻的培育成功,实现了水稻产量的大幅度提高。

然而,三系法杂交种后代会发生性状分离,杂种优势完全丧失。农民种植杂交种后,无法将其后代留种用作下一年使用。

“对于育种家和种子企业而言,必须每年进行繁琐的杂交制种工作,需要耗费大量的人力、物力和土地资源,而且还存在着受天气影响导致制种失败的风险。”王克剑说,这导致杂交种子成本远高于常规种子,限制了杂种优势的进一步推广与利用。

早在上世纪30年代,国外科学家就提出了利用无融合生殖固定杂种优势的设想。无融合生殖是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式,是介于有性生殖和无性生殖之间的一种特殊的植物生殖方式。

“利用无融合生殖,可以永久固定杂交种的杂种优势,保持杂交种后代性状不发生分离,将大幅减低制种成本,且可以更加广泛地利用杂种优势。如果在水稻等主要作物中实现无融合生殖,每年仅节约繁殖、制种费一项就可达上百亿元。”王克剑说。

钱前说,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种子,但主要农作物并不在其列。如果能将无融合生殖这个特性引入到农作物,只要得到一个优良的杂种单株,就能凭借种子迅速在生产上应用,使得作物的育种过程由繁到简,杂交品种由少到多,大大促进杂种优势的利用,提高粮食产量和质量。

1987年,中国工程院院士袁隆平在《杂交水稻》杂志上发表了《杂交水稻的育种战略设想》一文,提出了杂交水稻的育种可以分为三系法、两系法和一系法三个战略发展阶段,朝着程序上由繁到简而效率越来越高的方向发展。

其中的一系法即为通过利用无融合生殖从而固定杂种优势的育种方法。同年,我国启动了高技术研究发展计划(“863”计划),由袁隆平等知名科学家主持的“水稻无融合生殖的研究”成功入选,由此在国内开始了利用无融合生殖培育一系法杂交水稻的探索。

20世纪90年代,国际上掀起了植物无融合生殖研究的热潮。无融合生殖被媒体称为“育种家的梦想”“农业研究领域的圣杯”,一旦实现将“使得第一次绿色革命相形失色”。

在美国洛克菲勒基金会等支持下,全世界有几十个国家、200余个实验室从事无融合生殖研究。国际水稻研究所、国际玉米小麦改良中心等国际知名机构也先后启动“无融合生殖研究计划”。

然而,尽管经过多国科学家近一个世纪的努力,无融合生殖的分子机制依然不清楚,也未能将无融合生殖成功应用于作物育种之中。

由于困难重重,阻力巨大,此后从事相关研究的科研团队越来越少,无融合生殖研究逐渐从热门领域变成了冷门研究领域。

 

“很可能是第二次绿色革命”

生物技术的突破终于给无融合生殖研究带来了曙光。

基于对减数分裂及生殖发育分子机制的深入研究,2019年,美国和中国科学家几乎同时分别在无融合生殖固定杂种优势研究领域取得突破。

美国加州大学研究团队发表于《自然》的研究成果,在常规稻中创建了无融合生殖体系;中国科学家团队在《自然—生物技术》发表的成果,首次在杂交稻中创建了无融合生殖体系,获得了杂交稻的克隆种子,实现了杂交水稻无融合生殖从无到有的突破。

论文通讯作者王克剑介绍,实现无融合生殖必须绕过正常减数分裂和受精过程直接形成胚并产生种子。减数分裂是动植物在生殖时期发生的一次特殊的细胞分裂过程。在减数分裂时,来自父母本的遗传信息将发生重组,产生染色体数目减半的配子。

之前研究表明,参与水稻减数分裂时期的PAIR1、REC8 和OSD1 三个基因同时突变后,植株的减数分裂将转变成类似有丝分裂的过程。

他们选择籼粳杂交稻品种春优84作为水稻无融合生殖研究的模式品种。利用基因编辑技术,他们在春优84中同时敲除 PAIR1、REC8、OSD1 和 MTL 四个内源基因,获得了可以发生无融合生殖的水稻材料,建立了水稻无融合生殖体系,得到了杂交稻的克隆种子,实现了杂合基因型的固定。这意味着杂交种未来或可留种。

这两项成果受到国际科学界和作物育种界的广泛关注,为杂交种自我繁殖系统的发展奠定了基础,开辟了利用无融合生殖固定杂种优势研究以及作物育种发展的新方向。

《自然—生物技术》评论到,“这很可能是第二次绿色革命,它将改变育种的格局”“这个技术将大幅度降低杂交种生产成本,保证粮食安全”。

袁隆平评价到,我国科研人员借助精准的基因编辑技术,在籼粳杂交稻春优84中将4个内源基因敲除后,成功使杂交稻产生了无融合生殖性状,产生了与杂交稻一样的克隆种子,而且这个性状可以稳定遗传到下一代。这个工作证明了杂交稻进行无融合生殖的可行性,是无融合生殖研究领域的重大突破,具有重大的理论意义。

 

热点重启

杂种优势已被广泛应用于水稻、玉米等主要作物生产当中,为保障我国粮食安全做出了重大贡献。

“在杂交稻中首次引入无融合生殖特性,成功实现了无融合生殖杂交稻‘从0到1’的突破。但是目前的策略仍然面临结实率低以及诱导率低等问题。”中国工程院院士胡培松告诉《中国科学报》,因此,深入挖掘无融合生殖过程的关键基因、研究并解析无融合生殖的生物学基础,是培育杂种优势固定作物的关键前提。

他认为,这将为未来简化育种程序、降低杂交作物生产成本、扩展杂种优势利用和保障世界粮食安全奠定基础,具有极其重要的科学意义和应用前景。

王克剑认为,植物无融合生殖的基础研究还存在以下难点。

首先,无融合生殖发生机制不清楚。它涉及到植物生殖发育过程中的减数分裂、双受精、胚乳发育等多个关键环节,还受到表观等复杂调控。“研究非常困难,目前还不清楚其完整的发生机制。”王克剑说。

其次,无融合生殖材料不易获得。无融合生殖的子代中往往是有性生殖和无融合生殖种子同时存在,这就为无融合生殖材料的鉴定及获取带来极大困难,工作量巨大。此外,减数分裂和双受精过程受到精准的遗传调控,一旦出现错误,极易导致育性丧失。

再次,无融合生殖研究手段特殊。自然界无融合生殖经常与表观印记相关,杂交转移时经常不育,难以进行后代遗传学分析与研究。无融合生殖植物不再遵循经典遗传学性状分离与重组的遗传规律,因此很难通过有性杂交转移无融合生殖特性,且难以通过常规的图位克隆技术手段来克隆相关基因。

“在5~10年的短时间内,关于无融合生殖的生物学基础是什么的问题可能无法完全解决,需要更多的基础奠定和更长时间的研究。”王克剑说。

美国和澳大利亚等多国科学家于2014年重新启动“杂种优势捕获计划”国际联合攻关,比尔盖茨和梅琳达基金会第一期投入1450万美元用于支持无融合生殖攻关。

专家们建议,我国应设立专项资金,长期支持相关研究,确保该项研究能在激烈的国际竞争中保持领先地位。

 
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