【总结】植物无需受精也可产生种子的研究进展

发布于 2021-04-05 01:33

2020年8月15日，中国科协公布了 10个对科学发展具有导向作用的科学问题和10个对技术和产业具有关键作用的工程难题。其中在10个前沿科学问题中就包括植物无融合生殖的生物学基础是什么？

无融合生殖是一种不发生雌雄配子核融合而产生种子的一种无性繁殖过程。无融合生殖植物中，种子的形成没有经历减数分裂中的交换或者受精，结果其子代在遗传上是其母本的克隆，保留着母本的基因型，因此无融合生殖可用于杂种优势的固定。此外，还发现了极少数物种有父本起源的无融合生殖。无融合生殖已在 40 余科 400 余种开花植物中发现存，包括在单子叶植物及双子叶植物中都存在。由于无融合生殖机理极其复杂，因此现阶段研究进展缓慢。

无融合生殖是由多因素控制，现已陆续发现了无融合生殖相关的基因 ，其中一些与无融合生殖胚乳形成有关，如FIS 类基因、MSI1 基因；一些与胚的形成有关，如 rolB 基因、 PGA6/WUS 基因、BBM 基因、SERK 类基因和 LEC 类基因；还有一些与减数分裂相关，如 SWI1 基因、SPL/NZZ 基因，但这些基因在不同物种中并不是等效的。那么是否能否在现有的杂交物种中突变其中几个相关基因实现无融合生殖呢？

近几年，由于基因编辑技术的成熟，在很多物种中实现多个基因的同时突变变得容易，并且只需要一到二代，极大的缩短了育种的时间。因此，针对之前的研究成果，近几年已有多篇文章通过不同的策略实现F1代杂交的无融合生殖，使得杂交形成的杂种优势保留到下代。我们选出其中四篇代表性文章，它们分别是：

1. 2011年，Science杂志在线发表了来自法国Jean-Pierre Bourgin研究所RaphaëlMercier课题组题为“Synthetic Clonal Reproduction Through Seeds”的研究论文。

该研究发现拟南芥MiMe（有丝分裂到减数分裂）基因型，包括三个基因（突变的组合SPO11-1，REC8和OSD1）。首先，spo11-1突变后影响减数分裂重组。第二，REC8的突变会导致在第一次减数分裂分裂中的姐妹染色单体分离，而不是同源染色体的分布。最后，osd1导致第二次减数分裂的跳过。因此，MiMe发生减数分裂而无重组，并在单轮分裂中分配姐妹染色单体，模仿有丝分裂分裂。这导致产生雄性和雌性克隆配子，但自受精时，每一代的倍性倍增。

此外该研究进一步将拟南芥 MiMe 与 dyad 突变体杂交，获得了 34% 无性雌性或雄性配子转化成无融合合成的种子的子代个体，它们是其亲本的克隆，表明通过对有性植物中 2-4 个保守基因的操作，可以实现通过种子的无性繁殖。

2. 2016年，Cell Res杂志在线发表了来自法国Jean-Pierre Bourgin研究所RaphaëlMercier课题组题为“Turning rice meiosis into mitosis”的研究论文。

该研究证实突变的其他组合也可以使拟南芥减数分裂转变为有丝分裂，并且水稻中三个突变的组合（pair1，rec8和osd1突变的组合将减数分裂转变为有丝分裂。因此，该基因型称为OsMiMe。）有效地将减数分裂转化为有丝分裂，从而在水稻中产生了雌性和雌性克隆二倍体配子。

3.2018年12月12日，Nature在线发表美国加州大学戴维斯分校Sundaresan研究组在题为“A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds”的研究论文，该论文表明水稻中转录因子AP2家族的BABY BOOM1（BBM1）是在精子细胞特异表达，在合子胚胎起始中起关键作用。研究发现如果在卵细胞中异位表达BBM1可以诱导水稻产生孤雌生殖，并利用有丝分裂替代减数分裂建立了水稻无融合生殖体系，实现了水稻种子无性繁殖。由于在其他谷类作物（包括玉米）中发现了同源BBM样或将减数分裂转变为有丝分裂（MiMe）基因，因此本文所述的通过合成无融合生殖无性繁殖的方法通常可扩展到大多数谷类作物。

诱导作物实现无性繁殖，可以帮助培育出理想的遗传性状，增强所谓的“杂种优势”（杂种第一代优于亲本的现象）。杂种作物因遗传多样性较高，产量也会提高。不过，植物受精后触发胚胎生成的过程，科学家仍不甚明了。在植物中，已经提出了两种模型：一种表明两种亲本基因组贡献相同，而另一种则认为母本基因组在早期胚胎发生中具有主要作用。触发合子发育的植物中特定因子的特性和亲本来源尚未确定。以前研究水稻中的合子转变过程中的转录组学，发现了受精后受精卵表达了APETALA 2/乙烯反应因子（AP2 / ERF）超家族的BABY BOOM（BBM）样转录因子，这表明该转录因子有潜力在胚胎发生的起始中起作用。同时，研究表明来自拟南芥和油菜的BBM基因可以异位诱导体细胞胚，然而，这些基因在合子胚胎起始中的作用尚未确定。

该论文在水稻中发现，BABY BOOM1（BBM1）是在精子细胞中特异表达的转录因子AP2家族的成员，在合子胚胎起始中起关键作用，即使在没有受精的情况下也是如此。如果在卵细胞中异位表达BBM1，这足以进行孤雌生殖，这表明单个野生型BBM1基因可以绕过雌性配子中的受精检查点。随后，研究者用CRISPR/Cas-9技术，敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，去除了卵细胞的减数分裂行为，同时水稻的胚胎发育也随之终止。然而，当研究者让bbm1/2/3三突变体的卵细胞中表达BBM1时，研究者惊讶的发现，这些卵细胞无需受精，就可以形成正常的胚胎（如下图）。

因此，产生的卵细胞只经历了“有丝分裂”，是一个双倍体的卵细胞，故实现了亲本产生优良性状的遗传物质不会分离，达到了水稻种子无性繁殖！

下一步，研究者研究这些水稻品系是否能够实现无性繁殖？通过全基因组测序，以及随机SNP验证的方法，研究证实，其中，名为Synthetic-Apomictic（S-Apo）的品系产生了具有预期遗传多样性的无性系杂种后代（如下图）。无性繁殖性状在S-Apo品系中进一步延续了两代，表明的确可以通过这一技术，对杂交水稻进行无性繁殖。

这项研究表明，无性遗传分离的无性繁殖可以在有性繁殖植物中进行设计，并说明杂交种通过种子在水稻中克隆繁殖的可行性。由于在其他谷类作物（包括玉米）中发现了同源BBM样和MiMe基因，因此本文所述的通过合成无融合生殖无性繁殖的方法通常可扩展到大多数谷类作物。

4. 2019年1月4日，Nature Biotechnology在线发表了来自中国农科院王克剑课题组题为“Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes”的研究论文。该研究将杂交水稻中三个减数分裂关键基因（REC8, PAIR1 及 OSD1）和参与受精的MTL基因等四个内源基因进行基因编辑，实现了F1杂交水稻的杂合性状的固定，无需额外的杂交就可以直接繁殖育种。该研究将生物诱导单倍体育种技术结合基因编辑技术，实现了无性繁殖，这对于现代农业的发展和创新具有重要的意义和广阔前景！

杂种优势已广泛应用于农业，以提高作物的生产力和适应性。然而，对于许多作物而言，杂交种子生产过于昂贵。无融合生殖是一种无性繁殖策略，其后代是通过种子产生的，但没有经过减数分裂或受精。介导关键减数分裂过程的三个基因的组合突变产生了一种名为MiMe（有丝分裂代替减数分裂）的基因型，其中减数分裂被有丝分裂样分裂所取代，导致拟南芥和水稻中的雄性和雌性克隆二倍体配子的产生。然而，MiMe植物的自体受精使每一代的倍性增加一倍。因此，该研究设计一种在自花授粉的F1杂种中广泛适用的杂种优势固定方法。

首先，该研究测试了MiMe技术在杂交水稻“春优84”品种中的可行性。通过多重CRISPR-Cas9系统同时编辑了REC8，PAIR1和OSD1基因。研究发现，三突变体（MiMe）与野生型CY84在生长或形态上没有区别，同时表明，在MiMe中减数分裂已转化为有丝分裂，产生了二倍体配子。而且其结实率为81.2％，与野生型相比79.1％没有变化，表明同时编辑这三个基因并没有明显影响这种杂交品种的繁殖力。进一步表明，MiMe植物后代是四倍体植物，代表现出降低的育性，增加的粒度和长的芒长（见下图）。这些结果表明，使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术可以将MiMe表型快速引入杂交水稻品种。

由于MiMe克隆配子参与正常的自体受精，从而产生具有倍增倍性的子代。该研究同时突变了MiMe和MTL四个基因基因，验证了在没有杂交的情况下诱导杂合性固定的可能性。研究表明，四突变体中（命名为Fix), 营养阶段正常生长。在生殖阶段，雄性减数分裂染色体的行为与MiMe一样，结实率为4.5％。在145个后代植物中，136个被鉴定为四倍体，9个被鉴定为二倍体，测序结果显示二倍体和四倍体后代植物在遗传上与杂交水稻CY84相同。因此，Fix植物的二倍体后代显示出相同的倍性，相同的杂合基因型，以及与亲本Fix植物相似的表型，意味着Fix能够产生克隆种子并修复F1杂种水稻的杂合性。

因此，该研究表明通过在水稻F1杂交品种中有针对性地编辑四个内源基因，杂种可以通过自花授粉产生种子真正实现繁殖后代（如下图）。尽管主要由于MTL突变导致育性降低，但是Fix植物能够产生具有相同倍性和杂合基因型的克隆种子。后面需要通过修改MTL基因或寻找不同的单倍体诱导基因，可以提高结实率，使该技术技术能够商业化用于水稻。

iPlants评：

Nature杂志报道了通过基因编辑敲除了BBM1，BBM2和BBM3基因，并在卵细胞中异源表达BBM1时，发现卵细胞无需受精，就可以形成正常的胚胎，使水稻能够无融合生殖的策略方式。

而Nature Biotech文章研究是基于前期的研究成果，在配子形成时消除减数分裂，避免了同源重组，保留了杂交优势，同时在此基因编辑单倍体诱导基因MTL，让后代出现具有相同倍性，无融合生殖和杂交优势固定的克隆种子。因此该文章实现了一系法杂交水稻的理论验证！但是由于结实率低和种子的二倍数率低，是目前限制大规模制种的问题，下一步需要寻找更为有效的基因，真正能实现将一系法杂交水稻用于生产应用中。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/cr2016117

https://science.sciencemag.org/content/331/6019/876.long

DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.12.003

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0785-8

https://www.nature.com/articles/s41587-018-0003-0