科學網—無融合生殖:如何從「1」到「多」

▲左圖為正常雜交水稻品種春優84；右圖為無融合生殖雜交水稻。

▲王克劍（左）在觀察水稻生長情況。

■本報記者 李晨

植物無融合生殖的生物學基礎是什麼？長期以來，科學家對這個問題非常好奇，但一直沒有找到答案。

中國水稻研究所研究員王克劍在接受《中國科學報》採訪時說，無融合生殖是植物中自然存在的一種現象，是實現作物雜種優勢固定的生物學基礎。然而，無融合生殖的形成機制十分複雜，涉及到減數分裂過程、植物雙受精過程等多個植物生殖基本問題。

「多年來，經過多國科學家的努力，無融合生殖的研究進展依然緩慢。破解無融合生殖的生物學機理，為未來實現雜種優勢固定奠定理論基礎，具有非常重要的科學意義和應用前景。」中國科學院院士錢前告訴《中國科學報》。

農業研究領域的「聖杯」

雜種優勢是自然界普遍存在的一種現象，是指兩個遺傳基礎不同的品種間或相近物種間進行雜交，其雜交子一代在生長勢、生活力、適應性和產量等性狀上優於雙親的現象。

上個世紀70年代，以發現野生稻敗育株為契機，我國首先實現了雜交稻「三系」配套。「三系」雜交稻的培育成功，實現了水稻產量的大幅度提高。

然而，三系法雜交種後代會發生性狀分離，雜種優勢完全喪失。農民種植雜交種後，無法將其後代留種用作下一年使用。

「對於育種家和種子企業而言，必須每年進行繁瑣的雜交制種工作，需要耗費大量的人力、物力和土地資源，而且還存在著受天氣影響導致制種失敗的風險。」王克劍說，這導致雜交種子成本遠高於常規種子，限制了雜種優勢的進一步推廣與利用。

早在上世紀30年代，國外科學家就提出了利用無融合生殖固定雜種優勢的設想。無融合生殖是一種通過種子進行無性繁殖的生殖方式，是介於有性生殖和無性生殖之間的一種特殊的植物生殖方式。

「利用無融合生殖，可以永久固定雜交種的雜種優勢，保持雜交種後代性狀不發生分離，將大幅降低制種成本，且可以更加廣泛地利用雜種優勢。如果在水稻等主要作物中實現無融合生殖，每年僅節約繁殖、制種費一項就可達上百億元。」王克劍說。

錢前說，在自然界中，已發現有400多種植物可以通過無融合生殖產生種子，但主要農作物並不在其列。如果能將無融合生殖這個特性引入到農作物中，只要得到一個優良的雜種單株，就能憑藉種子迅速在生產上應用，使得作物的育種過程由繁到簡，雜交品種由少到多，大大促進雜種優勢的利用，提高糧食產量和質量。

1987年，中國工程院院士袁隆平在《雜交水稻》雜誌上發表了《雜交水稻的育種戰略設想》一文，提出了雜交水稻的育種可以分為三系法、兩系法和一系法三個戰略發展階段，朝著程序上由繁到簡而效率越來越高的方向發展。

其中的一系法即為通過利用無融合生殖從而固定雜種優勢的育種方法。同年，我國啟動了高技術研究發展計劃（「863」計劃），由袁隆平等知名科學家主持的「水稻無融合生殖的研究」成功入選，由此在國內開始了利用無融合生殖培育一系法雜交水稻的探索。

20世紀90年代，國際上掀起了植物無融合生殖研究的熱潮。無融合生殖被媒體稱為「育種家的夢想」「農業研究領域的聖杯」，一旦實現將「使得第一次綠色革命相形失色」。

在美國洛克菲勒基金會等支持下，全世界有幾十個國家、200餘個實驗室從事無融合生殖研究。國際水稻研究所、國際玉米小麥改良中心等國際知名機構也先後啟動無融合生殖研究計劃。

然而，儘管經過多國科學家近一個世紀的努力，無融合生殖的分子機制依然不清楚，也未能將無融合生殖成功應用於作物育種之中。

由於困難重重、阻力巨大，此後從事相關研究的科研團隊越來越少，無融合生殖研究逐漸從熱門領域變成了冷門領域。

「很可能是第二次綠色革命」

基於對減數分裂及生殖發育分子機制的深入研究，2019年，美國和中國科學家幾乎同時分別在無融合生殖固定雜種優勢研究領域取得突破。

美國加州大學研究團隊發表於《自然》的研究成果，在常規稻中創建了無融合生殖體系；中國科學家團隊在《自然—生物技術》發表的成果，首次在雜交稻中創建了無融合生殖體系，獲得了雜交稻的克隆種子，實現了雜交水稻無融合生殖從無到有的突破。

論文通訊作者王克劍介紹，實現無融合生殖必須繞過正常減數分裂和受精過程，直接形成胚並產生種子。

正常的減數分裂可產生染色體數目減半的配子。之前研究表明，參與水稻減數分裂時期的PAIR1、REC8 和OSD1三個基因同時突變後，植株的減數分裂將轉變成類似有絲分裂的過程。

他們選擇秈粳雜交稻品種春優84作為水稻無融合生殖研究的模式品種。利用基因編輯技術，他們在春優84中同時敲除PAIR1、REC8、OSD1和MTL 四個內源基因，獲得了可以發生無融合生殖的水稻材料，建立了水稻無融合生殖體系，得到了雜交稻的克隆種子，實現了雜合基因型的固定。這意味著雜交種未來或可留種。

這兩項成果受到國際科學界和作物育種界的廣泛關注，為雜交種自我繁殖系統的發展奠定了基礎，開闢了利用無融合生殖固定雜種優勢研究以及作物育種發展的新方向。

《自然—生物技術》評論道，「這很可能是第二次綠色革命，它將改變育種的格局」「這個技術將大幅度降低雜交種生產成本，保證糧食安全」。

袁隆平評價到，我國科研人員藉助精準的基因編輯技術，在秈粳雜交稻春優84中將4個內源基因敲除後，成功使雜交稻產生了無融合生殖性狀，產生了與雜交稻一樣的克隆種子，而且這個性狀可以穩定遺傳到下一代。這個工作證明了雜交稻進行無融合生殖的可行性，是無融合生殖研究領域的重大突破，具有重大的理論意義。

熱點重啟

「在雜交稻中首次引入無融合生殖特性，成功實現了無融合生殖雜交稻『從0到1』的突破。但是目前的策略仍然面臨結實率低以及誘導率低等問題。」中國工程院院士胡培松告訴《中國科學報》，深入挖掘無融合生殖過程的關鍵基因、研究並解析無融合生殖的生物學基礎，是培育雜種優勢固定作物的關鍵前提。這將為未來簡化育種程序、降低雜交作物生產成本、擴展雜種優勢利用和保障世界糧食安全奠定基礎，具有極其重要的科學意義和應用前景。

王克劍認為，植物無融合生殖的基礎研究還存在以下難點。

首先，無融合生殖發生機制不清楚。它涉及到植物生殖發育過程多個重要關鍵環節，還受到複雜調控，研究非常困難。

其次，無融合生殖材料不易獲得。無融合生殖的子代中往往是有性生殖和無融合生殖種子同時存在，分選工作量巨大。此外，減數分裂和雙受精過程一旦出現錯誤，極易導致育性喪失。

再次，無融合生殖研究手段特殊。無融合生殖植物不再遵循經典遺傳學性狀分離與重組的遺傳規律，因此很難通過有性雜交轉移無融合生殖特性，且難以通過常規的圖位克隆技術手段來克隆相關基因。

美國和澳大利亞等多國科學家於2014年重新啟動「雜種優勢捕獲計劃」國際聯合攻關，比爾和梅琳達·蓋茨基金會第一期投入1450萬美元用於支持無融合生殖攻關。

專家們建議，我國應設立專項資金，長期支持無融合生殖如何從「1」到「多」的研究，確保該項研究能在激烈的國際競爭中保持領先地位。

《中國科學報》 (2020-11-03 第3版 農業科技)