Science Bulletin | 王克剑/钱前团队合作建立仅依赖基因编辑的正常结实率无融合生殖体系

杂交水稻的培育和生产对保障我国粮食安全具有至关重要的作用。人工合成无融合生殖可以固定杂种优势，有望彻底解决杂交水稻无法留种的世纪难题，带来新一轮农业绿色革命。2019年， 中国水稻研究所王克剑团队通过将有丝分裂代替减数分裂 MiMe 与单倍体诱导基因 OsMTL 结合，建立了无融合生殖体系 Fix （ Fixation of hybrids ），首次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的原始突破（）。然而，第一代 Fix 体系存在克隆种子效率和结实率较低的问题，限制了其在农业生产中的应用。随后，研究团队对无融合生殖体系进行了持续优化。2023年，团队发现卵细胞异位表达 OsBBM4 具备孤雌生殖能力，并将其与 MiMe 结合，构建了正常结实率的 Fix2 体系。2025年，通过将卵细胞异位表达 OsWUS 与 MiMe 结合，开发出结实率正常且效率显著提高的 Fix3 体系。尽管Fix2和Fix3植株都实现了正常结实率，但相关体系都依赖于基因编辑和异位表达元件的转化，目前尚未建立仅依赖基因编辑的正常结实率无融合生殖体系。

近日，中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室 王克剑团队 与 钱前院士团队 合作在 Science Bulletin 上发表了题为“

OsPLD

α2

-dependent synthetic apomixis enables normal seed setting in hybrid rice via genome editing

磷脂酶 D（PLD）是脂质信号传导中负责磷脂水解的重要酶类，在植物细胞扩张和尖端生长中发挥关键作用。先前研究表明，玉米 ZmPLD3 基因编码一种花粉特异性磷脂酶，该基因突变具有单倍体诱导能力。本研究鉴定了水稻中磷脂酶D家族基因 OsPLD α 2 ，发现该基因在成熟花粉中特异性高表达，其编码蛋白主要定位在花粉胞质及花粉管中。利用CRISPR/Cas9技术在杂交水稻中对 OsPLD α2 基因进行敲除后， Os pld α2 突变体在营养期生长正常，成熟期表现为高结实，自交子代能够诱导产生单倍体。进一步地，利用CRISPR/Cas9技术在杂交水稻中同时突变了 MiMe 相关基因（ OsOSD1 、 OsPAIR1 和 OsREC8 ）以及 OsPLD α2 ，构建了 Fix4 （ Fixation of hybrids 4 ）杂交水稻无融合生殖体系。 Fix4 植株生长正常，T 0 代和T 1 代能够稳定诱导产生克隆种子。值得注意的是，Fix4体系的结实率与野生型相比完全正常。将克隆种子继续种植，同样保持了正常的结实率。

图1 利用CRISPR/Cas9在杂交水稻中创建Fix4无融合生殖体系

综上所述，该研究证明了仅通过基因编辑技术敲除水稻内源基因，可创建结实率完全正常的无融合生殖体系，为加速杂交水稻无融合生殖技术的生产应用提供理论支撑与创新方案。目前Fix4的克隆种子诱导效率仍较低，未来通过聚合其他单倍体诱导基因有望进一步提升诱导效率。此外，OsPLDα2同源基因在玉米、甘蓝等作物中表现出功能保守性，表明其很可能在单、双子叶作物的无融合生殖技术研究中均有应用潜力。

图2 杂交水稻在传统有性生殖和Fix4无融合生殖中的对比模式图

中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室 胡风越 博士、 刘朝雷 副研究员为论文共同第一作者。中国水稻研究所 王克剑 研究员、 钱前 院士为论文共同通讯作者。 浙江师范大学 饶玉春 教授对本研究提供了重要指导。该研究获得了国家自然科学基金、国家水稻产业体系专项基金、中国农科院科技创新工程等项目支持。

https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.022