2021年09月15日 10:00
【科學快訊】
雜種優勢是一種廣泛存在於動物和植物中的生物學現象，育種家利用雜種優勢培育了大量性狀優良的雜交作物。但由於雜交作物的後代會發生性狀分離，雜種優勢無法保持，需要育種家每年重新制種，成本高昂。有沒有可能讓雜交作物得到與自己一樣的克隆後代，以此實現優勢的固定？來自中國水稻研究所的王克劍研究員通過無融合生殖技術成功獲得了雜交稻的克隆種子，實現了雜交稻無融合生殖從0到1的突破，並因此獲得了2020年度陳嘉庚青年科學獎生命科學獎。
民以食為天，從狩獵部落發展到農耕社會，人類不斷提升自己掌控自然的能力以獲得更加穩定的食物來源。直至今日，種植農作物仍是人們獲得食物的最主要途徑之一。從「靠天吃飯」到「科學育種」，每破解一個新的遺傳學規律，人們的糧食生產效率就會相應地躍升一級。
1865年，孟德爾通過經典的豌豆雜交試驗打開了科學育種的大門，他發現並總結出的「獨立分離定律」和「自由組合定律」奠定了經典遺傳學的理論基礎。此後，植物學家和育種學家開始通過雜交和選擇的手段，結合雙親的優良性狀，培育改良作物品種，開啟了現代育種時代。
以我們熟悉的水稻為例，就經曆了常規育種、矮化育種、雜種優勢利用這3個主要階段。
常規育種可以說是最傳統的現代育種方式。簡單來說，就是希望一株植物能結合雙親的優點，並且這些優點還要保持穩定，代代相傳。
所以，常規育種得到的水稻被稱為「常規稻」，經過提純，只包含純合的遺傳信息（如AA或者aa），能長期保持本品種的特性不變。
但隨著化肥使用量的激增，水稻在田間越長越高。大家逐漸意識到，長得太高也不是好事，竟然出現了產量與倒伏的矛盾。瘦高的水稻很容易「摔倒」（倒伏），一旦出現倒伏，水稻的產量便會斷崖式下跌。於是，人們又開始進行矮化育種，也就是在挑選常規稻時多加了一條篩選標准，讓水稻朝矮胖的方向發展。
再後來，人們開始大規模利用「雜種優勢」，即基因型不同的親本個體雜交產生的雜種子一代，在產量和品質等性狀上優於兩個親本的現象。利用雜種優勢得到的水稻被稱為「雜交稻」，與常規稻不同，雜交稻所含的遺傳信息是非純合的（如AaBb）。有觀點認為，等位基因在雜合狀態下天然地要比純合狀態表現得好，因而雜合體往往比純合體顯示出更大的生長優勢。
無性生殖換來克隆種子
雜合體（僅指雜種子一代）的優勢如此明顯，但也有讓人心煩的缺點，那就是後代會出現性狀分離，優勢無法保持。之所以出現這種現象，是因為含有非純合遺傳信息的雜交水稻在有性生殖時，來自父本和母本的遺傳信息發生重組，產生帶有不同遺傳信息的配子（精子和卵子），融合後產生的雜交子二代基因不可能再和上一代保持一致。雖然產量和抗病性等方面明顯優於常規稻，但由於雜交稻需要每年重新制種，成本較高，農民很難自己操作。
為了降低工作量和生產成本，農業學家渴望研究出更優的方法。要是雜種子一代也能像常規稻一樣，自交繁殖而不改變性狀就好了。既然有性生殖中的基因重組無法避免，那麼，能不能讓植物進行無性生殖呢？
這個被農業領域視為「聖杯」的百年難題吸引了世界各國的研究團隊。1986年，袁隆平提出，將雜交水稻育種分為「三系法」「二系法」和「一系法」3個戰略發展階段。其中，「一系法」主要指通過無融合生殖技術形成克隆雜交種子的育種方法，被認為是雜交水稻育種的終極目標。
2020年，中國農業科學院/中國水稻研究所的王克劍團隊成功在水稻中實現了這種技術，繞過了植物正常的減數分裂與受精過程，得到了與雜交種基因完全一樣的克隆種子。
讓減數分裂變成「有絲分裂」
繞過減數分裂？雖然聽起來有些不可思議，但實際上，只要找到調控減數分裂的關鍵基因，再關閉這些基因，就完全有可能達到繞過減數分裂的目的。
為了達到這個目的，我們先來複習一下減數分裂，看看究竟是哪些步驟發生了遺傳信息重組。
產生配子的減數分裂過程如下，期間染色體發生一次複制，但卻經曆兩次分裂。由於最終的配子細胞被分配到的染色體條數為分裂前細胞的一半，因而被稱為「減數」分裂。在第一次分裂時，來自父方和母方的同源染色體發生聯會，隨後，非同源染色體自由組合進入兩個細胞；在第二次分裂時，姐妹染色單體又被分別隨機分配到了兩個配子中，形成單倍體配子。
我們關心的基因重組就主要發生在第一次分裂期間。染色體上的遺傳信息不僅會趁著聯會時偷偷「交換」，還會隨著非同源染色體的自由組合而最終進入不同的配子。這樣一來，雌雄配子結合形成的受精卵的基因型便不會再和上一代保持一致，產生性狀分離，也就是我們常說的「一母生九子，連母十個樣」。
在基因PAIR1,REC8和OSD1同時突變的作用下，水稻配子形成過程中的減數
尋找關鍵基因
弄清楚這些，改造水稻的思路就變得清晰了。首先，要阻止同源染色體發生遺傳信息交換。聯會前，同源染色體會先彼此靠近（配對），待欲交換位置的DNA雙鏈斷裂後，便可順利啟動信息交換過程。研究人員發現，PAIR1基因能幫助此階段的同源染色體進行配對。因此，突變這個基因就可以讓染色體配對失敗，從而阻止交換的發生。
同源交換被制止了，染色體的自由組合也要叫停。最好能讓細胞轉而進行普通的有絲分裂。有絲分裂的特點是僅進行一次分裂，且分裂過程中，姐妹染色單體全部分離，被平均分配到兩個子細胞中。如此一來，子細胞所含的遺傳信息便和母本的體細胞一模一樣，相當於產生了和母本遺傳信息完全一致的克隆配子。當然，由於沒發生「減數」分裂，染色體的數量並未減半。
經過大量的篩選測試實驗，REC8基因和OSD1基因成功進入了研究人員的視野。REC8基因表達的是一種黏連蛋白。正是因為有了這種蛋白，姐妹染色單體才不會在減數第一次分裂的過程中提前分離，能一起朝同一方向移動。如果它發生了突變，姐妹染色單體提前分離，就會發生類似於有絲分裂的行為。隨後，研究人員又通過突變OSD1，一種能促使細胞進行第二次分裂的關鍵基因，使細胞的分裂過程止步於此，最終產生了和母本遺傳信息一致的克隆配子。
別讓染色體再加倍！
現在，利用同時突變3個基因的方法所改造的雜交稻已經能產生克隆配子了。但是，這種雜交稻的子代水稻生長優勢卻明顯不如正常的雜交稻。可見，基因改造後的水稻仍不能將自身的雜種優勢穩定地遺傳下去。
問題出在染色體的數量上。子代水稻的染色體數量發生了變化。克隆配子的染色體比正常配子中的染色體多了一倍，而受精過程會讓染色體再次加倍。因此，如果我們想得到和母本植株一樣的後代，完全繼承母本的雜種優勢，就要想辦法阻止種子中的染色體加倍。換句話說，僅得到克隆配子還不夠，我們的終極目標是克隆種子。
所幸，這種行為在大自然中本就存在。一些植物或動物的生殖過程並不需要精細胞的參與，僅通過卵細胞就能發育成完整的胚胎或個體。這種現象被稱為「孤雌生殖」，可以形成單倍體植株，植株體細胞內僅含有來自雌配子的染色體。
向玉米學習
「其實，在常規育種中，我們有時也會想辦法誘導植物進行孤雌生殖。」王克劍研究員補充道，「比如，已經在玉米種植中廣泛使用的單倍體育種技術，就是希望先獲得玉米單倍體，然後再通過噴灑一些特殊的化學物質，讓染色體數量加倍，成為純合二倍體，也叫雙單倍體。」顯然，這種做法最大的好處就是能快速得到遺傳信息穩定的純合體植株，進而縮短以此為親本材料的雜種育種周期。
那麼，用誘導玉米單倍體的方法去誘導水稻孤雌生殖不就可以了嗎？「玉米比較幸運，很早之前，人們就發現在自然界天然存在能孤雌生殖的玉米。」由於能誘導母本的卵子直接形成單倍體，這種玉米被稱為「誘導系」。雖然自然界中尚未發現水稻的誘導系，但如果知曉玉米誘導單倍體的機制，也就是與誘導功能有關的基因是什麼，就有望據此改造水稻，獲得人工的誘導系水稻。
經過數十年的科研接力，研究人員發現了玉米誘導系的秘密。它們之所以能誘導單倍體，是因為一個名為MTL的基因發生了突變，使精子中的磷脂酶發生了變化，最終導致雄配子中的遺傳物質逐漸消失。隨後，研究人員在水稻中找到了MTL的同源基因，並利用基因組編輯技術使其失活，成功誘導出了與玉米單倍體類似的水稻單倍體。
「可以說，在分別解決了克隆配子和單倍體問題後，距離獲得克隆雜交種子僅剩一步之遙。」王克劍說道，「讓與這兩個問題相關的基因同時缺失，理論上就能實現無融合生殖，也就是獲得一顆克隆種子。」
2019年，王克劍團隊選用了具有明顯雜種優勢的雜交稻「春優84」為實驗品種，利用多基因編輯技術精准編輯了水稻有性生殖過程中的4個關鍵基因——PAIR1,REC8,OSD1和MTL，誘導能產生克隆配子的水稻進行孤雌生殖，終於獲得了和親本基因型完全一致的植株後代。
在MiMe的基礎上，進一步突變MTL基因，可誘導克隆雌配子直接形成克隆種子。這樣，子代的性狀便可和母本保持一致。圖中染色體對數僅為示意。
至此，雜交水稻無融合生殖技術實現了從0到1的突破，擁有雜種優勢的種子可以將自己的優良性狀以克隆種子的方式固定下來，代代傳遞。水稻育種也正一步步向著由繁到簡的方向發展。
新媒體編輯/小帆帆
