科学家实现水稻种子无性繁殖！杂交水稻性状不怕丢失

　　说到水稻，也许很多人会想起袁隆平和他的杂交稻。学界普遍认为，袁隆平是首位成功改变水稻自花授粉的特点，且带来大规模杂交稻生产的科学家。他带来的优良杂交稻，产量比最优秀的自交品种还要高出20%。他的成功堪称奇迹，为解决全球粮食短缺问题带来了重要的解决方案。而袁隆平本人，也被称为是“杂交水稻之父”。

 

　　杂交水稻虽然性状优良，但在育种和种植上，却不如普通水稻来得那么简便，这也正是许多杂交作物的通病——在有性繁殖的过程中，带来高产量等优良特性的遗传物质，会出现分离。这样一来，杂交作物的后代，往往无法保持同样的优良性状。因此，农学家们每年都要重新进行育种，而种植杂交作物的农民们也需要每年购买新的种子。
 

　　先前，科学家们发现大约有400种植物具有特殊的“无性繁殖”能力。它们无需受精，就能产生可繁育后代的种子。不考虑突变的前提下，通过这种繁殖方式产生的后代，遗传物质与亲本可谓如出一辙。如果也能利用水稻的种子实现无性繁殖，不就可以轻松维持杂交水稻的高产性状了吗？

 

▲本研究的第一作者Imtiyaz Khanday博士（左）与通讯作者Venkatesan Sundaresan教授（右）（图片来源：Karin Higgins/UC Davis）
 

　　为了实现这个技术突破，来自加州大学戴维斯分校（UC Davis）的一支研究团队首先想要了解在植物发育过程中，受精卵想要变成胚胎，背后有着怎样的分子生物学通路。他们发现在水稻里，有一个叫做“婴儿潮”（Baby Boom，缩写BBM）的基因家族。其中，有一条BBM1基因只在精子里表达。在精子与卵子结合之后，受精卵里的BBM1活性，也主要来自于精子的贡献。
 

　　科学家们敏锐地指出，BBM1有可能是启动胚胎发育的“开关”。为了测试这个想法，他们敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，观察胚胎发育是否会有变化。果不其然，在几条BBM基因失去功能之后，水稻的胚胎发育也随之终止。
 

　　更重要的是，在这三重突变体里引入BBM1基因，可以重新启动胚胎发育过程。

▲BBM1基因是启动胚胎发育的开关（图片来源：参考资料[1]）
 

　　让我们来整理一下科学家们的发现：在受精卵中，有着植物发育所需的完整基因组。只要提供BBM1基因，就能让受精卵变成胚胎，启动后续的发育过程。
 

　　这打开了通往水稻种子无性繁殖的大门。
 

　　充满创意的研究人员们利用基因编辑手段，去除了水稻的“减数分裂”能力。这样一来，它们产生的卵细胞只会经历“有丝分裂”，依旧带有所有的染色体。随后，研究人员们让这些卵细胞表达BBM1。正如他们所预期的那样，这些卵细胞无需受精，就可以变成胚胎。
 

　　这样做的好处在于，产生优良性状的遗传物质不会分离，因此性状较难丢失。

▲研究人员们跳过了减数分裂这一步，产生了具有完整基因组的卵细胞（图片来源：参考资料[1]）
 

　　“我们有一个双倍体的卵细胞，它能形成胚胎，长成一个克隆体。”本研究的通讯作者Venkatesan Sundaresan教授说道。
 

　　这些克隆体，能否保持杂交水稻的优良性状呢？在一项实验中，研究人员们使用这种技术，培育了多代水稻。通过全基因组测序，以及随机SNP验证的方法，科学家们证实，这些后代都具有预期的遗传多样性，表明的确可以通过这一技术，对杂交水稻进行无性繁殖。

▲后代产生的种子大小与亲本很接近（图片来源：参考资料[1]）
 

　　曾几何时，利用主要作物的种子进行无性繁殖，被认为是农业上的一大圣杯。如今，这一难关已被科学家们攻克。正如Sundaresan教授所言，这项工作“有望为农业带来变革”。据估计，到2050年，地球的总人口将接近100亿。为了填饱那么多人的肚子，我们期待未来能有更多重磅农业突破降临。