Trends Plant Sci亮点评论 | 操纵克隆配子体实现多倍体基因组设计

近日，Trends in Plant Science在线发表了题为Clonal gamete-mediated polyploid genome design for stacking genomes的亮点评论文章。

聚焦点评：通过克隆配子介导的多倍体基因组设计进行基因组叠加

植物的杂种优势能赋予后代比亲本更好的农业重要性状。最近，汪亚中等人报道了番茄中有丝分裂替代减数分裂( Mitosis instead of Meiosis，MiMe ) 系统用于克隆配子的生产，展示了通过在由MiMe杂交后产生的四倍体杂交品种中堆叠四套祖父母的基因组，来利用同源多倍体渐进式杂种优势(Autopolyploid Progressive Heterosis，APH)的潜力。

包括作物在内的农业商品在确保全球粮食安全方面发挥着至关重要的作用。然而，全球人口的增长加剧了对当前粮食生产系统的依赖，要求农业生产力大幅提高。通过传统方法实现这一目标面临重大挑战，特别是可耕地面积减少和气候不稳定性加剧。这些限制促使人们发展高产作物，并提倡采用杂交育种系统来利用杂种优势。杂种优势(Hybrid vigor/Heterosis)可以在由遗传上不同的纯合亲本杂交产生的杂种中观察到。它使杂种后代能够适应并表现出比任何亲本更好的表型，具有提高的产量、改良的种子质量以及对生物和非生物因素的增强的抵抗力/耐受性。同样，多倍体中的渐进式杂种优势由于独特等位基因或多个基因变体的互补，赋予了更大的基因组多样性和由此产生的杂种优势[1]。例如，同源多倍体渐进性杂种优势 (APH) 在双交四倍体杂种中表现出更高的活力，这些双交四倍体杂种具有四套不同的基因组，来自四个不相关的祖父母系。此外，这些双交四倍体杂交种通常表现出比单交四倍体杂交种更优越的杂种优势反应，单交四倍体杂交种是通过两个不同的四倍体亲本系杂交产生的[1]。尽管APH表现出显著的潜力，但由于第一代杂交种中发生的减数分裂，造成了难以生成基因一致的双交杂交种种子，因此APH尚未被育种者在商业规模上充分利用以进行作物改良。

最近，汪亚中等人报道了利用成簇的规律间隔短回文重复序列相关内切酶 (CRISPR-Cas9) 介导的MiMe策略来工程化番茄 (Solanum lycopersicum)的多倍体基因组[2]（图1）。MiMe方法能够在不产生倍性减半配子的情况下进行克隆种子生产，这是因为在三个不同的番茄杂交种中同时敲除SlSPO11-1、SlREC8和SITAM 基因。为了实施MiMe策略，该研究选择了三种杂交系，即 Moneyberg-TMV ⨯ Micro-Tom (MbTMV-MT)、Funtelle 和 Maxeza，进行克隆配子生产。潜在的MiMe杂交种的细胞学分析表明，与具有 12 条染色体的野生型花粉相比，未减数分裂花粉的染色体数量增加了一倍，达到了24条。尽管产生的果实相对较小，但与野生型植物相比，MbTMV-MTMiMe突变体产生的种子更大但数量更少。此外，这些种子中四倍体比例高达 93%，同时还有 7% 的非整倍体。根据测序和多态性遗传标记，MbTMV-MT MiMe四倍体后代表现出与F 1杂交对照相似的全基因组杂合性，并具有一致的表型，例如植物高度、叶片形态以及果实和种子发育，从而确保避免减数分裂重组交换。

MiMe系统在番茄中的成功建立，进一步表明了其在番茄或茄科植物中通过克隆繁殖固定杂种优势的尚未开发的潜力。通过将MiMe与父本/母本染色体消除或孤雌生殖相结合，可以通过合成无融合生殖建立优良 F 1杂交种的克隆繁殖[3-6]。最近，在卵细胞中特异性异位表达BAYBOOM1 (BBM1 ) 和PARTHENOGENESIS (PAR)基因，并结合对MiMe基因的靶向编辑，解决了F1杂交水稻克隆种子生产效率低的限制[3，6]。这种在卵细胞中异源表达BBM1的单步方法可实现高达 95% 的克隆种子生产率。这些有前景的系统为其在番茄以及其他双子叶植物中的应用提供了路线图[7]。因此，农民可以在更大规模上以更具成本效益的方式利用高产且表现更优的杂交品种。

通过MiMe介导的先进多倍体育种

多倍体或全基因组复制赋予了堆叠基因的适应性、可塑性和新功能化。这种具有进化意义的现象使多倍体生物能够在动态环境条件和生态压力下茁壮成长，因为它们能够影响基因调控和发育过程[8]。六倍体小麦和四倍体棉花等主要作物近期经历了多倍化，使位于额外一组染色体上的重复基因具有独特的转录景观。基因组重复还提供了因遗传变异而产生的显性效应和因功能冗余而产生的缓冲效应，最终影响表型多样性。为了在双交杂交种中堆叠四个自交祖先（四种单倍型）的完整基因组，汪亚中等人将表型不同的MiMe杂交种 MbTMV-MTMiMe、MaxezaMiMe和 FuntelleMiMe杂交，以开发出两种四倍体番茄杂交种（4-Hap植物），即 MbTMV-MTMiMe ⨯ MaxezaMiMe和 MbTMV-MTMiMe ⨯ FuntelleMiMe [2]。在杂交过程中，来自MiMe杂交植物的克隆配子产生了四倍体子代，该子代具有来自雄性和雌性杂交亲本的完整全基因组。产生的具有多倍体基因组的番茄作物含有48条染色体，其表现优于其杂交亲本。全基因组测序结果的单倍型特异性单核苷酸多态性分析表明，MbTMV-MTMiMe⨯MaxezaMiMe和MbTMV-MTMiMe⨯FuntelleMiMe植物的四倍体子代继承了所有四种单倍型。与杂交亲本不同的是，4-Hap植物表现出更高的叶绿素含量并且结出无籽果实；然而，其营养生长和花序发育仍保持正常，类似于杂交亲本。因此，这一策略为生产定制的多倍体植物开辟了新的途径。这些植物不仅具有多个表现型可变特征的副本，还因其获得不良隐性纯合等位基因的概率低于二倍体植物，从而确保了更好的表现[9]。

发现可最大限度发挥杂种优势的杂交种库

由于驯化和强烈的选择性育种，栽培番茄失去了显著的遗传多样性，这在阻碍番茄改良方面起着至关重要的作用。然而，引入未经改造的和富有遗传多样性的野生种或新驯化的亲缘基因组，可以获得各种被忽视或需要权衡的性状，以开发适应气候变化和具有弹性的番茄作物[10]（图 1）。多倍体基因组设计 (PGD) 是一个平台，可以用来从遗传多样性的杂种优势库中挑选出具有独特基因结构、含有等位基因和功能多样性的植物，用于番茄或其他作物的APH（同源多倍体渐进式杂种优势）。创建杂种优势库昂贵且耗时，但现代育种技术如大数据分析和标记辅助选择，提供了通过增强预测能力来加快这一过程的潜力[9]。同样，泛基因组学使得全面探索各种栽培品种、地方品种和野生亲缘的遗传多样性成为可能[11]。这也有助于高效地识别和筛选出用于杂种优势池的候选者，以利用PGD或APH在农业作物中的潜力。

对于该育种方案，必须使用有效的转化和再生技术，以快速生成携带具有MiMe突变的成功植物。迄今为止，已成功测试了各种可靠且易于获取的增强转化和再生的技术。这些技术加快了不同形态发生调节剂克服各种植物物种再生固有困难的潜力[12]。最后，汪亚中等人不仅证明了MiMe系统在双子叶番茄中成功建立，克隆配子产生具有显著效率，而且还利用该系统推动双杂交植物中多个基因组的堆叠。此外，定制的 PGD 能够增加新性状以应对环境变化，同时通过管理多倍体中的杂合性来减少或抑制不良等位基因对植物性能的负面影响[9]。还需要开展进一步的研究来充分发挥该农作物育种方案的潜力，这也涉及到农民更大规模地采用和使用该计划。

图 1：四倍体杂交种中定制多倍体设计示意图-通过堆叠完整的基因组来实现同源多倍体渐进式杂种优势 (APH) 。

(A) 对表型多样化的栽培品种进行杂交育种，以产生具有提升杂种优势的不同杂交品种。(B) 使用成簇的规律间隔短回文重复序列相关内切酶(CRISPR-Cas9)，通过靶向敲除番茄杂交种中的SlSPO11-1、SlREC8和SlTAM来获得有丝分裂替代减数分裂(MiMe )突变体材料。(C) 对潜在的MiMe杂交种进行杂交以实现 APH。(D) 从世界各地获取遗传上独特且多样性丰富的种质，例如栽培品种、地方品种和野生种。(E) 通过全基因组测序对不同种质之间的遗传结构或等位基因变异进行数据分析，并利用泛基因组学的潜力来产生遗传上多样化的杂种优势库。(F) 将遗传上多样化的种质整合到育种计划中，以开发所需的杂交种，用于定制多倍体基因组设计或 APH。(G)使用CRISPR-Cas9 系统敲除不需要的等位基因，对具有未开发遗传潜力和不需要的表型特征的野生物种进行从头驯化。从头驯化物种可作为遗传富集来源，引入育种流程以开发 APH 的潜在杂交种。

本文的第一作者是Muhammad Jawad Akbar Awan，通讯作者是Shahid Mansoor。Imran Amin和Gotz Hensel也参与该文章的撰写工作。Muhammad Jawad Akbar Awan，Imran Amin和Shahid Mansoor来自巴基斯坦国家生物技术和基因工程研究所农业生物技术部（NIBGE），Gotz Hensel则来自德国杜塞尔多夫的海因里希-海涅大学植物基因组工程中心（CPGE）以及捷克共和国奥洛穆茨的帕拉茨基大学。Shahid Mansoor同时还隶属于巴基斯坦卡拉奇大学国际化学和生物科学中心。

Shahid Mansoor不仅是巴基斯坦国家生物技术与基因工程研究所（NIBGE）的所长，还是巴基斯坦科学院院士。他在基因工程和植物生物技术领域拥有丰富的研究经验和重要贡献。他的工作特别侧重于植物病理学和基因组学，致力于开发抗病作物以及利用基因编辑技术改良植物。他的研究在国际上得到了广泛认可，并且他在多个国际科学和技术组织中担任重要职务，推动了巴基斯坦和全球的生物技术研究与应用。

参考文献：

1. Birchler J.A. Heterosis: the genetic basis of hybrid vigour. Nat. Plants. 2015; 1: 15020.

2. Wang Y. et al. Harnessing clonal gametes in hybrid crops to engineer polyploid genomes. Nat. Genet. 2024; 56: 1075-1079.

3. Vernet A. et al. High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice. Nat. Commun. 2022; 13: 7963.

4. Underwood C.J. et al. A PARTHENOGENESIS allele from apomictic dandelion can induce egg cell division without fertilization in lettuce. Nat. Genet. 2022; 54: 84-93.

5. Zhong Y. et al. In vivo maternal haploid induction in tomato. Plant Biotechnol. J. 2022; 20: 250-252.

6. Song M. et al. Simultaneous production of high-frequency synthetic apomixis with high fertility and improved agronomic traits in hybrid rice. Mol. Plant. 2024; 17: 4-7.

7. Underwood C.J. Mercier R. Engineering apomixis: clonal seeds approaching the fields. Annu. Rev. Plant Biol. 2022; 73: 201-225.

8. Van de Peer Y. et al. The evolutionary significance of polyploidy. Nat. Rev. Genet. 2017; 18: 411-424.

9. ter Steeg E.M.S. et al. Crucial factors for the feasibility of commercial hybrid breeding in food crops. Nat. Plants. 2022; 8: 463-473.

10. Bartlett M.E. et al. The power and perils of de novo domestication using genome editing. Annu. Rev. Plant Biol. 2023; 74: 727-750.

11. Li N. et al. Super-pangenome analyses highlight genomic diversity and structural variation across wild and cultivated tomato species. Nat. Genet. 2023; 55: 852-860.

12. Chen Z. et al. Recent advances in crop transformation technologies. Nat. Plants. 2022; 8: 1343-1351.

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.07.010