CRISPR改造的雜交水稻來了：高產、抗病，還支持無性繁殖！

2018 年 12 月，加利福尼亞大學戴維斯分校的植物生物學家發現一種通過無性繁殖克隆種子的方法，解決了雜交植物的留種繁殖問題。這一發現長期以來一直受到植物育種者和遺傳學家的追捧，對全球農業具有重大意義。

它可以使世界上最貧窮的農民更容易種植高產、抗病或耐氣候的作物，並能夠輕鬆保留雜交植物的克隆種子以備將來使用。

這項研究成果於 12 月 12 日在 Nature 雜誌上發表。

自 20 世紀 20 年代以來，雜交農作物越來越普遍。雜交農作物無論株高、莖葉、根系和籽粒，以及在抗旱耐澇、抗病蟲害和抗倒伏能力、光合作用強度等方面，都比親本優越得多，因而產量也就大幅度提高，這些優越性的表現，便是一般所講的雜種優勢。

但是，美中不足的是，雜交農作物的種子並不能長出具有相同優良性狀的作物。如果將雜交種第一代種植收穫後留種，來年繼續種植，產生的雜交種第二代，往往會出現性狀分離，表現為：植株高矮不齊，果穗大小不一致，成熟早晚也不一致，雜種優勢顯著減弱，產量也大大降低。

所以種植的雜交農作物不能留種，對於農民來說，每年都需要專門購買雜交作物的種子。

實現能夠保持雜交植物優良性狀的克隆種子，將是世界農業的重大突破。農民可以從他們自己的雜交植物中收穫種子，不必每年購買昂貴的雜交種子，並且不影響獲得高產的好處。

「這是一個非常理想的目標，可以改變農業。」加州大學戴維斯分校植物生物學教授 Venkatesan Sundaresan 說。自然界大約有 400 種野生植物可以在沒有受精的情況下產生種子。這種稱為單性生殖的過程，在植物界比較常見，但在經濟作物中卻不存在這種現象。

加州大學戴維斯分校的博士後研究員 Imtiyaz Khanday 及其同事，向前邁出了重要一步。他們發現通過修改兩組基因，可以實現雜交水稻克隆出單性種子。

首先，研究小組發現，在植物受精卵中，精子中的一種名為 BABY BOOM1 的基因引發了種子胚胎的發育。

圖 | Imtiyaz Khanday（左），Venkatesan Sundaresan（右）（來源：KARIN HIGGINS/UC DAVIS）

因此，科學家們嘗試對水稻進行基因編輯，使用 CRISPR / Cas9 基因編輯工具對水稻減數分裂至關重要的三個基因進行修改，使卵母細胞不進行減數分裂，直接產生包含完整染色體的「卵細胞」。然後，研究人員使包含完整染色體的「卵細胞」也表達 BABY BOOM1 基因。結果發現，不需要經過受精作用，改造後的細胞可以直接發育成胚胎。

「所以我們有一個能夠製造胚胎的二倍體卵細胞，它會長成克隆種子。」Sundaresan 說。

到目前為止，該過程的成功率約為 30％，但研究人員希望通過更多研究可以提高效率。Sundaresan 說，這種方法應該適用於具有相同 BBM1 基因的其他穀類作物，以及其他植物。

研究人員表示，他們創造出的克隆種子，其原始的雜交遺傳完好無損，這些種子萌芽成植物，也可以克隆自己，下一代也是如此。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織 Anna Koltunow 沒有參與這項研究，但他表示，該研究標誌著克隆雜交穀物的重要一步，研究清晰地表明，人們可以重新設計水稻，將其從有性模式轉變為無性模式。

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