科學家實現水稻種子無性繁殖！雜交水稻性狀不怕丟失

　　來源：學術經緯

　　說到水稻，也許很多人會想起袁隆平和他的雜交稻。學界普遍認為，袁隆平是首位成功改變水稻自花授粉的特點，且帶來大規模雜交稻生產的科學家。他帶來的優良雜交稻，產量比最優秀的自交品種還要高出20%。他的成功堪稱奇蹟，為解決全球糧食短缺問題帶來了重要的解決方案。而袁隆平本人，也被稱為是「雜交水稻之父」。

▲雜交水稻的誕生，離不開袁隆平等科學家們辛苦卓絕的努力（圖片來源：Unknown author [Public domain]， via Wikimedia Commons）

　　雜交水稻雖然性狀優良，但在育種和種植上，卻不如普通水稻來得那麼簡便，這也正是許多雜交作物的通病——在有性繁殖的過程中，帶來高產量等優良特性的遺傳物質，會出現分離。這樣一來，雜交作物的後代，往往無法保持同樣的優良性狀。因此，農學家們每年都要重新進行育種，而種植雜交作物的農民們也需要每年購買新的種子。

　　先前，科學家們發現大約有400種植物具有特殊的「無性繁殖」能力。它們無需受精，就能產生可繁育後代的種子。不考慮突變的前提下，通過這種繁殖方式產生的後代，遺傳物質與親本可謂如出一轍。如果也能利用水稻的種子實現無性繁殖，不就可以輕鬆維持雜交水稻的高產性狀了嗎？

▲本研究的第一作者Imtiyaz Khanday博士（左）與通訊作者Venkatesan Sundaresan教授（右）（圖片來源：Karin Higgins/UC Davis）

　　為了實現這個技術突破，來自加州大學戴維斯分校（UC Davis）的一支研究團隊首先想要了解在植物發育過程中，受精卵想要變成胚胎，背後有著怎樣的分子生物學通路。他們發現在水稻里，有一個叫做「嬰兒潮」（Baby Boom，縮寫BBM）的基因家族。其中，有一條BBM1基因只在精子里表達。在精子與卵子結合之後，受精卵里的BBM1活性，也主要來自於精子的貢獻。

　　科學家們敏銳地指出，BBM1有可能是啟動胚胎髮育的「開關」。為了測試這個想法，他們敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，觀察胚胎髮育是否會有變化。果不其然，在幾條BBM基因失去功能之後，水稻的胚胎髮育也隨之終止。

　　更重要的是，在這三重突變體里引入BBM1基因，可以重新啟動胚胎髮育過程。

▲BBM1基因是啟動胚胎髮育的開關（圖片來源：參考資料[1]）

　　讓我們來整理一下科學家們的發現：在受精卵中，有著植物發育所需的完整基因組。只要提供BBM1基因，就能讓受精卵變成胚胎，啟動後續的發育過程。

　　這打開了通往水稻種子無性繁殖的大門。

　　充滿創意的研究人員們利用基因編輯手段，去除了水稻的「減數分裂」能力。這樣一來，它們產生的卵細胞只會經歷「有絲分裂」，依舊帶有所有的染色體。隨後，研究人員們讓這些卵細胞表達BBM1。正如他們所預期的那樣，這些卵細胞無需受精，就可以變成胚胎。

　　這樣做的好處在於，產生優良性狀的遺傳物質不會分離，因此性狀較難丟失。

▲研究人員們跳過了減數分裂這一步，產生了具有完整基因組的卵細胞（圖片來源：參考資料[1]）

　　「我們有一個雙倍體的卵細胞，它能形成胚胎，長成一個克隆體。」本研究的通訊作者Venkatesan Sundaresan教授說道。

　　這些克隆體，能否保持雜交水稻的優良性狀呢？在一項實驗中，研究人員們使用這種技術，培育了多代水稻。通過全基因組測序，以及隨機SNP驗證的方法，科學家們證實，這些後代都具有預期的遺傳多樣性，表明的確可以通過這一技術，對雜交水稻進行無性繁殖。

▲後代產生的種子大小與親本很接近（圖片來源：參考資料[1]）

　　曾幾何時，利用主要作物的種子進行無性繁殖，被認為是農業上的一大聖杯。如今，這一難關已被科學家們攻克。正如Sundaresan教授所言，這項工作「有望為農業帶來變革」。據估計，到2050年，地球的總人口將接近100億。為了填飽那麼多人的肚子，我們期待未來能有更多重磅農業突破降臨。

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