Nature:科学家们实现水稻种子无性繁殖!杂交水稻的优良性状再也不怕丢失了
学术经纬 · 2018/12/13
说到水稻,也许很多人会想起袁隆平和他的杂交稻。学界普遍认为,袁隆平是首位成功改变水稻自花授粉的特点,且带来大规模杂交稻生产的科学家。他带来的优良杂交稻,产量比最优秀的自交品种还要高出20%。他的成功堪称奇迹,为解决全球粮食短缺问题带来了重要的解决方案。而袁隆平本人,也被称为是“杂交水稻之父”。


杂交水稻的诞生,离不开袁隆平等科学家们辛苦卓绝的努力(图片来源:Unknown author [Public domain], via Wikimedia Commons)

本文转载自“学术经纬”。

杂交水稻虽然性状优良,但在育种和种植上,却不如普通水稻来得那么简便,这也正是许多杂交作物的通病——在有性繁殖的过程中,带来高产量等优良特性的遗传物质,会出现分离。这样一来,杂交作物的后代,往往无法保持同样的优良性状。因此,农学家们每年都要重新进行育种,而种植杂交作物的农民们也需要每年购买新的种子。

先前,科学家们发现大约有400种植物具有特殊的“无性繁殖”能力。它们无需受精,就能产生可繁育后代的种子。不考虑突变的前提下,通过这种繁殖方式产生的后代,遗传物质与亲本可谓如出一辙。如果也能利用水稻的种子实现无性繁殖,不就可以轻松维持杂交水稻的高产性状了吗?


▲本研究的第一作者Imtiyaz Khanday博士(左)与通讯作者Venkatesan Sundaresan教授(右)(图片来源:Karin Higgins/UC Davis)

为了实现这个技术突破,来自加州大学戴维斯分校(UC Davis)的一支研究团队首先想要了解在植物发育过程中,受精卵想要变成胚胎,背后有着怎样的分子生物学通路。他们发现在水稻里,有一个叫做“婴儿潮”(Baby Boom,缩写BBM)的基因家族。其中,有一条BBM1基因只在精子里表达。在精子与卵子结合之后,受精卵里的BBM1活性,也主要来自于精子的贡献。

科学家们敏锐地指出,BBM1有可能是启动胚胎发育的“开关”。为了测试这个想法,他们敲除了BBM1,BBM2,以及BBM3基因,观察胚胎发育是否会有变化。果不其然,在几条BBM基因失去功能之后,水稻的胚胎发育也随之终止。

更重要的是,在这三重突变体里引入BBM1基因,可以重新启动胚胎发育过程。


▲BBM1基因是启动胚胎发育的开关(图片来源:参考资料[1])

让我们来整理一下科学家们的发现:在受精卵中,有着植物发育所需的完整基因组。只要提供BBM1基因,就能让受精卵变成胚胎,启动后续的发育过程。

这打开了通往水稻种子无性繁殖的大门。

充满创意的研究人员们利用基因编辑手段,去除了水稻的“减数分裂”能力。这样一来,它们产生的卵细胞只会经历“有丝分裂”,依旧带有所有的染色体。随后,研究人员们让这些卵细胞表达BBM1。正如他们所预期的那样,这些卵细胞无需受精,就可以变成胚胎。

这样做的好处在于,产生优良性状的遗传物质不会分离,因此性状较难丢失。


▲研究人员们跳过了减数分裂这一步,产生了具有完整基因组的卵细胞(图片来源:参考资料[1])

“我们有一个双倍体的卵细胞,它能形成胚胎,长成一个克隆体。”本研究的通讯作者Venkatesan Sundaresan教授说道。

这些克隆体,能否保持杂交水稻的优良性状呢?在一项实验中,研究人员们使用这种技术,培育了多代水稻。通过全基因组测序,以及随机SNP验证的方法,科学家们证实,这些后代都具有预期的遗传多样性,表明的确可以通过这一技术,对杂交水稻进行无性繁殖。


▲后代产生的种子大小与亲本很接近(图片来源:参考资料[1])

曾几何时,利用主要作物的种子进行无性繁殖,被认为是农业上的一大圣杯。如今,这一难关已被科学家们攻克。正如Sundaresan教授所言,这项工作“有望为农业带来变革”。据估计,到2050年,地球的总人口将接近100亿。为了填饱那么多人的肚子,我们期待未来能有更多重磅农业突破降临。

参考资料:

[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

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