PBJ | 中国水稻研究所王克剑团队发掘内源新基因，为一系杂交稻研发开辟新路径

杂交水稻具备高产、抗逆性强等优点，为保障我国粮食安全发挥了重要作用。然而，杂交后代无法留种再用，因此必须每年重新制种。这一过程依赖不育系和恢复系的精准匹配，技术复杂、环节繁琐，且易受不良气候影响，不仅增加了生产风险，也显著提高了种子成本。目前，杂交稻种的生产成本通常达到常规稻种的10-20倍，高昂的种子价格既增加了农民负担，也影响了种植积极性，进而制约了杂交水稻的进一步推广。据统计，我国杂交水稻种植面积占比已从高峰期的近70%下降至目前的50%左右；同时，海外杂交水稻种植面积占比仍不足5%，其巨大的增产潜力尚未充分发挥。

针对“杂交水稻无法留种”这一世界性难题，袁隆平院士于1987年提出“从三系法到两系法，最终到一系法”的战略构想。其中，“一系法”旨在通过无融合生殖技术固定杂种优势，实现“一次杂交，代代可用”，被视为杂交水稻育种的终极目标，吸引着全球科研力量的持续探索。

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在Plant Biotechnology Journal上发表题为

Harnessing Endogenous Homeobox Genes for Synthetic Apomixis in Hybrid Rice

同源框基因作为转录因子，能够决定从简单到复杂生物的细胞、组织和器官的发育命运。例如，在酵母中，同源框蛋白通过调控抑制因子活性，充当单倍体向二倍体细胞类型转变的分子开关。在果蝇中，将触角形成基因的编码序列与可诱导启动子融合后导入生殖细胞系，能够诱导果蝇头部增殖生长触角结构。BEL同源框蛋白作为植物同源框蛋白家族的亚类之一，在生殖组织和器官的发育起始与维持过程中扮演着核心角色。

为探究水稻内源BEL同源框基因的靶向利用能否诱导无融合生殖，研究团队首先通过PlantTFDB数据库鉴定出13个水稻BEL同源框基因。结合转录组数据和qRT-PCR实验，筛选出两个在生长发育中具有关键功能的基因BEL-LIKE 1 (BEL1)和BEL-LIKE 2 (BEL2)，这两个基因在营养组织中表达较高，BEL同源框结构域进化保守。将BEL1和BEL2基因的编码序列分别与卵细胞特异表达启动子DD45结合，构建异位过表达体系EE-BEL1和EE-BEL2。子代倍性和基因型的检测表明，卵细胞中增强表达BEL1或BEL2基因能够诱导产生单倍体。

图1 卵细胞增强表达BEL1或BEL2诱导产生单倍体

为进一步评估BEL1和BEL2在无融合生殖体系的应用潜力，研究团队将卵细胞增强BEL1/BEL2表达与产生克隆配子的MiMe结合，在杂交稻中创制Fix6.1和Fix6.2无融合生殖体系。这些植株的株型、穗型和结实率等性状与野生型均无显著差异，且在T0和T1代保持正常生长、正常结实和稳定的克隆效率，克隆种子诱导率最高可达6.3%。本研究深化了对BEL同源框基因功能的认识，同时也为“一系杂交稻”研究提供了新的技术策略。

图2 建立正常生长、正常结实和稳定克隆效率的无融合生殖体系

中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室尉鑫博士后为论文第一作者，王克剑研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央公益性科研机构基础研究基金和博士后创新人才支持计划等项目的资助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70406