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【国科科技港】Nature突破:实现水稻种子无性繁殖,助力作物育种!

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国科注

无融合生殖 (Apomixis) 是指不发生雌雄配子核融合而产生种子的一种无性繁殖过程。在无融合生殖植物中,种子的形成没有经历减数分裂过程中的交换,子代保留着母本的基因型,对杂种优势固定具有重要作用。因此,无融合生殖在育种中具有极大的应用价值。无融合生殖表现形式多样,受多种途径调控,其遗传机制也很复杂,在一定程度上阻碍了无融合生殖在作物改良中的应用。2018年12月12日,Nature 在线刊发了美国加州大学戴维斯分校 Venkatesan Sundaresan 研究组一篇题 A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds 的论文,该研究发现AP2/ERF家族转录因子BABY BOOM1 (BBM1)可以诱导水稻产生孤雌生殖,并利用有丝分裂替代减数分裂建立了水稻无融合生殖体系,实现了水稻种子无性繁殖


专家评述

钱前 (中国水稻研究所研究员)


水稻一系法(杂种优势固定)育种新曙光


以野败育种为契机,我国水稻育种上世纪70年代,首次完成了杂交稻“三系”配套,实现了产量的大幅提升,为我国粮食增产和社会稳定做出了重大的贡献。但进入80年代以后,受恢复基因资源多样性的限制,“三系”杂交稻的产量进入了徘徊不前的平台期。再加上三系法相对复杂的育种程序和生产环节,“三系”杂交稻新品种选育周期长、更新慢和制种成本高等不足大大限制了其推广及应用【1】。1987年袁隆平先生从我国杂交水稻育种现实出发,提出杂交水稻应该从以细胞质雄性不育系为遗传基础的三系法杂交水稻,到以光温敏雄性不育系为遗传基础的两系法,并在此基础上大力开展相关基础研究,积极推进既不发生分离,又可以保持杂种优势,以无融合生殖为遗传基础的一系法育种研究,使水稻育种朝着程序上由繁到简,效率上由低到高的方向发展【1-3】。经过三十多年的育种实践,两系育种法已经育成了大量高产、优质的水稻新品种,并已在生产上大面积推广应用,形成与“三系”杂交稻平分天下的局面。


虽然自然界中已经发现了400多个物种可以通过种子完成无融合生殖,但主要的农作物并不在其列【4】。受限于孤雌生殖关键分子机制不明,多年来国内外学者在无融合生殖的基础理论及实际应用等领域均进行了大量有益的探索,但收效甚微。美国加州大学戴维斯分校 Venkatesan Sundaresan 教授及同事在水稻中研究发现,雄配子携带进入雌配子的 BABY BOOM1 (BBM1) 转录因子是受精后启动胚发育的关键。在卵细胞中异位表达 BBM1 可以绕过受精过程产生孤雌生殖,获得单倍体。之后,他们利用 CRISPR/Cas9 基因组编辑技术敲除三个与减数分裂相关的基因(turn meiosis into mitosis,MiMe以获得产生类似发生有丝分裂、与体细胞基因型一致的二倍体配子,并同时在卵细胞中异位表达 BBM1,最终使这些水稻品系能够在不经过减数分裂,并使卵细胞直接发育成胚进而完成无融合生殖过程。这一技术的突破理论上可以保持F1代的杂种优势,快速固定品种间、亚种间甚至远缘间的遗传优势,还可以省去年年制种的巨大成本,通过自交就可以完成杂交种的制种工作。此外,由于同源 BBM 类似基因和 MiMe 相关基因广泛存在于不同农作物中,该研究所描述的通过无融合生殖进行杂种优势固定的方法还可以推广到大多数禾谷类作物,这些基因的挖掘及功能验证为一系法育种奠定了良好的理论基础,有助于创制可快速固定杂种优势的优异种质,应用前景广阔。


据了解,我国科学家目前也在无融合生殖研究领域取得了突破性进展。




胚胎发生的分子机制一直是植物发育研究的热点。在动物中,胚胎发生起始是依赖母体基因组的,而植物胚胎发生的机制却存在两个相反的模型:一种认为父母体基因组的贡献相等,另一种则认为母体基因组在早期胚胎发生中起重要作用【5,6】。在前期研究中,研究人员在水稻胚源型转变过程的转录组数据中发现,AP2/ERF 家族转录因子的 BABY BOOM1 (BBM1) 类转录因子可能参与胚胎发生的起始过程【7】。在拟南芥及烟草中,BBM 基因可异位诱导体细胞胚胎产生,但其在胚胎发生的作用机制仍未阐明。

 

在Sundaresan 研究组的这项工作中,研究人员发现在水稻受精卵中异位表达 BBM1 基因可诱导体细胞胚产生。杂合子转录组数据分析显示,尽管大部分的合子基因组来自于母本,但包括 BBM1 在内的一些转录因子来源于父本。RT-PCR 及抗体检测均显示授粉2.5小时后(此时同性配子互相融合)只有父本 BBM1 的 RNA 及蛋白在合子中表达。进一步检测发现,受精前BBM1的 RNA 及蛋白水平只在精细胞中表达。


基于 BBM1 在父本细胞中的特异性表达及其可诱发体细胞胚胎产生的特点,研究人员认为 BBM1 是诱导胚胎发生的激发子。随后,研究人员在水稻卵细胞中特异性表达BBM1,发现98株去雄花中有12株仍可观察到胚胎结构,证明 BBM1 在不存在受精作用下仍可诱导胚胎生成,也就是孤雌生殖。水稻中有至少三个 BBM 基因,本研究利用 CRISPR-Cas9 技术获得 BBM1、BBM2 及 BBM3 不同的双突及三突变体,发现 BBM1-BBM3 影响种子育性。而BBM1+/– bbm2 bbm3 产生了多种生长发育表型。


S-Apo 植株单倍体及多倍体表型


单倍体是加速育种的有效工具,因为经过染色体加倍后,单倍体可产生纯合的二倍体株系【8】。本研究发现,BBM1-ee 转基因植株自交后可诱导产生单倍体。经流式细胞仪鉴定发现T1代单倍体诱导率在 5-10%,并可在 T2 代达到 29%。F1代的杂交植株通常会显示出杂种优势,因此在作物育种中可被广泛应用。如果不经过减数分裂及受精过程,杂交即可通过种子直接繁殖且不会发生分离。大约有400种植物都能天然地借助种子实现无融合生殖,但是一些重要的作物物种却无法做到这一点。因此,无融合生殖的诱导技术可以固定杂种优势,并使一些优异的杂种性状得以稳定。消除植物中的重组事件,利用有丝分裂替代减数分裂的一项技术MiMe在拟南芥和水稻中都可实现。研究人员在 BBM1-ee 转基因植株中利用这项技术,产生 S-Apo 植株,发现S-Apo 植株可通过种子顺利诱导孤雌生殖。由于不存在减数分裂,S-Apo 植株的单倍体具有正常的花药,而其后代依然可以诱导单倍体产生,比率达到26%,后面两代均维持此概率。进一步对 T0 代 S-Apo 植株,T1 代及T2代二倍体植株进行全基因组测序,通过 SNP 序列分析证明二倍体后代均是通过无性繁殖产生的。

 

无性繁殖的水稻,论文第一作者 Imtiyaz Khanday 博士和通讯作者Venkatesan Sundaresan教授 (Credit: Karin Higgins/UC Davis, https://www.ucdavis.edu/news)


综上,本研究证明,无基因分离的无性繁殖可以在有性生殖的植物中实现,并阐明了杂交种通过种子在水稻中无性繁殖的可行性,或代表了农作物育种领域的一项重大成果。在本研究中的无性繁殖的效率还有待提高,未来可通过设计不同的启动子来解决这一问题。由于文章中涉及的BBM 基因及 MiMe 基因在单子叶玉米中也存在,因此该技术或许可应用于多种单子叶作物中。



参考文献

【1】孙宗修,程式华. 杂交水稻育种——从三系、两系到一系. 中国农业科技出版社. 1994年

【2】袁隆平. 杂交水稻发展的战略. 杂交水稻. 2018,33(5):1-2

【3】袁隆平. 杂交水稻的育种战略设想. 杂交水稻. 1987,1:1-3

【4】Ozias-Akins, P. & van Dijk, P. J. Mendelian genetics of apomixis in plants. Annu. Rev. Genet. 41, 509–537 (2007).

【5】Autran, D. et al. Maternal epigenetic pathways control parental contributions to Arabidopsis early embryogenesis. Cell 145, 707–719 (2011).

【6】Del Toro-De León, G., García-Aguilar, M. & Gillmor, C. S. Non-equivalent contributions of maternal and paternal genomes to early plant embryogenesis. Nature 514, 624–627 (2014).

【7】Anderson, S. N. et al. The zygotic transition is initiated in unicellular plant zygotes with asymmetric activation of parental genomes. Dev. Cell 43, 349–358. e4, (2017).

【8】Murovec, J. & Bohanec, B. in Plant Breeding (ed. Abdurakhmonov, I. Y.) Ch. 5 (IntechOpen, London, 2012).

来源:BioArt植物


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