中国农科院水稻研究所王克剑团队在水稻遗传重组频率调控、无融合生殖杂交水稻遗传稳定性方面取得新进展

责编 | 王一

近期，中国农业科学院水稻研究所王克剑团队连续在Plant Communications上发表了两篇研究论文，报道了该团队利用基因编辑技术调控水稻遗传重组频率，以及在无融合生殖杂交稻不同世代间遗传稳定性方面取得的最新进展。以下为两项研究的介绍：

1.近日，王克剑团队在Plant Communications上发表了题为Manipulation of genetic recombination by editing the transcriptional regulatory regions of meiotic gene in hybrid rice的论文，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对水稻重组关键基因HEI10的转录调控区域进行编辑，实现了对水稻遗传重组频率的调控。该研究发现，不同等位突变植株不仅保证了减数分裂期染色体的正常分离，还保留了较高的结实率，同时突变植株中遗传重组频率也发生了不同程度的增加或减少。通过对单个重组关键基因转录调控区域的编辑可以实现对遗传重组的正向和负向调控。研究结果为加速新品种的培育，缩短育种周期提供重要理论基础和技术支撑。

研究人员首先分别对水稻HEI10基因的启动子区域和5′UTR区域进行了多靶点敲除，获得了一系列纯合突变或双等位突变材料。其中，启动子区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同程度降低，相反，5′UTR区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同幅度升高。表型性状调查显示，突变体的营养生长和花粉育性与野生型相比没有明显的差异，并且植株保持了较高的结实率。通过细胞学观察发现这些突变体的染色体能够正常分离，但是，对减数第一次分裂中期二价体的形态进行统计结果显示重组交换的数目可能发生了变化 （图1） 。

图1 突变体材料的获得和表型调查结果

随后，研究人员进一步通过遗传学分析检测了遗传重组的变化规律与基因表达之间的关系，在启动子区域被编辑的突变体中，重组频率随着HEI10基因表达水平的降低而减少；在5′UTR区域被编辑的突变体中，重组频率随着HEI10基因表达水平的升高而增加。遗传干涉的统计结果显示，重组频率减少的突变体干涉强度增强，而重组频率增加的突变体干涉强度减弱，表明遗传干涉与重组频率呈现一定的负相关性。

该研究揭示了通过对单个关键基因进行编辑可以实现水稻遗传重组的正向和负向调控。已有研究表明有大量基因参与遗传重组的形成过程，因此，研究人员提出通过对更多关键基因进行同步编辑，有望实现对遗传重组更大幅度的调控。此外，由于遗传重组过程在不同动植物中较为保守，该研究思路也有望适用于其它动植物的理论研究和新品种培育。

中国水稻研究所尉鑫博士和刘庆副研究员为该论文的共同第一作者，王克剑研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、海南省崖州湾种子实验室等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100474

2.近日，中国水稻研究所王克剑团队联合南京农业大学农学院张文利团队在Plant Communications在线发表了题为Synthetic apomixis enables stable transgenerational transmission of heterotic phenotypes in hybrid rice的研究论文，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。

无融合生殖(Apomixis) 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。前期，王克剑团队在杂交稻中建立了人工无融合生殖体系 (Synthetic apomixis) ，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%)（图1）。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

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%)(图2)。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

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。

中国水稻研究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，中国水稻研究所王克剑研究员、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。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

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100470