科學家們實現水稻種子無性繁殖！雜交水稻的優(yōu)良性狀再也不怕丟失了

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來源：學術經緯

2018-12-13

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?guī)泶笠?guī)模雜交稻生產的科學家。

雜交水稻雖然性狀優(yōu)良，但在育種和種植上，卻不如普通水稻來得那么簡便，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(yōu)良特性的遺傳物質，會出現分離。這樣一來，雜交作物的后代，往往無法保持同樣的優(yōu)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(fā)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，就能產生可繁育后代的種子。不考慮突變的前提下，通過這種繁殖方式產生的后代，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，不就可以輕松維持雜交水稻的高產性狀了嗎？

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(fā)育過程中，受精卵想要變成胚胎，背后有著怎樣的分子生物學通路。他們發(fā)現在水稻里，有一個叫做“嬰兒潮”（Baby Boom，縮寫B(tài)BM）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后，受精卵里的BBM1活性，也主要來自于精子的貢獻。

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

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

讓我們來整理一下科學家們的發(fā)現：在受精卵中，有著植物發(fā)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，啟動后續(xù)的發(fā)育過程。

這打開了通往水稻種子無性繁殖的大門。

充滿創(chuàng)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。隨后，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。

這樣做的好處在于，產生優(yōu)良性狀的遺傳物質不會分離，因此性狀較難丟失。

“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(yōu)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，這些后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。

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(yè)上的一大圣杯。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(yè)帶來變革”。據估計，到2050年，地球的總人口將接近100億。為了填飽那么多人的肚子，我們期待未來能有更多重磅農業(yè)突破降臨。

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