Science Bulletin | 王克剑/李红菊合作团队在双子叶杂交植物中建立可自繁种的人工无融合生殖体系

责编 | 王一

杂种优势是指杂交后代在生物量、产量和适应性等方面较亲本表现出显著优势的现象。杂种优势在单双子叶植物中均广泛存在，例如：单子叶植物水稻和玉米等，双子叶植物大豆和棉花等均表现出较强的杂种优势。然而，由于遗传分离，杂交作物的优势性状无法传递到下一代。因此，为了实现杂交作物的生产应用，每年需要耗费大量的人力、物力和土地资源进行繁琐的杂交制种工作，而且还存在着受不利天气等影响导致制种失败的风险。

无融合生殖是一种通过克隆种子进行无性繁殖的特殊生殖方式，可以使杂交植物的杂合基因型在后代中不发生分离，从而解决杂交植物无法留种的难题。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克隆种子，但在主要农作物中并不存在该生殖方式。2019年，中国水稻研究所王克剑团队首次建立了杂交水稻无融合生殖的Fix（Fixation of hybrids）体系，成功获得了杂交水稻的克隆种子，实现了杂交水稻无融合生殖从“0到1”的突破，证实杂交水稻自繁种的可行性【1】。随后该团队又深入挖掘利用新的水稻内源基因，建立了完全正常结实的杂交稻无融合生殖体系Fix2【2】和保持正常结实率前提下表现出更高克隆效率的无融合生殖体系Fix3【3】。然而，目前尚不清楚能否在双子叶杂交植物中建立可自繁种的人工无融合生殖体系。

近日，中国水稻研究所王克剑团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所李红菊团队合作在Science Bulletin发表了题为Self-propagated clonal seed production in dicotyledonous Arabidopsis的研究论文。该研究在双子叶杂交植物中建立可自繁种的人工无融合生殖体系。

研究团队以不具备无融合生殖特性的双子叶模式植物拟南芥为研究对象。研究人员首先通过人工杂交创制了杂合背景的拟南芥材料，随后利用多基因编辑系统在该杂合材料中同时敲除了减数分裂相关的三个关键基因（AtOSD1、AtSPO11-1和AtREC8）【4】和受精过程的两个关键基因（AtDMP8和AtDMP9）【5】得到AtFix1（Fixation of hybrids1 in Arabidopsis）材料，在将减数分裂转变成类似有丝分裂产生克隆卵细胞的同时，干扰了卵细胞的正常受精，从而诱导克隆卵细胞进一步发育成克隆胚，并最终形成克隆种子和后代。

通过流式细胞分析、分子标记和全基因组测序等技术证实在AtFix1自交产生的后代中，存在细胞核基因组倍性、全基因组基因型和其母本完全一致的个体。随后的自交传代研究发现：这些克隆植株仍然能持续产生倍性和基因型完全一致的克隆后代，表明无融合生殖特性被成功引入到拟南芥中。该研究证实了通过人工设计引入无融合生殖特性从而实现双子叶杂交植物自繁种的可行性，为未来在更多双子叶植物中开展人工无融合生殖固定杂种优势研究提供重要借鉴。

中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室陈文强博士后、徐丽萍博士后和浙江师范大学生命科学学院饶玉春教授为论文的共同第一作者。中国水稻研究所王克剑研究员和中国科学院遗传与发育研究所李红菊研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。

参考文献：

[1] Wang C, Liu Q, Shen Y, et al. Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes. Nat Biotechnol 2019;37:283-86.

[2] Wei X, Liu C, Chen X, et al. Synthetic apomixis with normal hybrid rice seed production. Mol Plant 2023;16:1-4.

[3] Huang Y, Meng X, Rao Y, et al. OsWUS-driven synthetic apomixis in hybrid rice. Plant Commun 2024;19:101136.

[4] d'Erfurth I, Jolivet S, Froger N, et al. Turning meiosis into mitosis. PLoS Biol 2009;7:e1000124.

[5] Zhong Y, Chen B, Li M, et al. A DMP-triggered in vivo maternal haploid induction system in the dicotyledonous Arabidopsis. Nat Plants 2020;6:466-72.

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.12.003