左圖為正常雜交水稻品種春優(yōu)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(chǔ)是什么？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》采訪時說，無融合生殖是植物中自然存在的一種現(xiàn)象，是實現(xiàn)作物雜種優(yōu)勢固定的生物學基礎(chǔ)。然而，無融合生殖的形成機制十分復雜，涉及到減數(shù)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(jīng)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(xiàn)雜種優(yōu)勢固定奠定理論基礎(chǔ)，具有非常重要的科學意義和應(yīng)用前景。”中國科學院院士錢前告訴《中國科學報》。

農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的“圣杯”

雜種優(yōu)勢是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，是指兩個遺傳基礎(chǔ)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(yīng)性和產(chǎn)量等性狀上優(yōu)于雙親的現(xiàn)象。

上個世紀70年代，以發(fā)現(xiàn)野生稻敗育株為契機，我國首先實現(xiàn)了雜交稻“三系”配套。“三系”雜交稻的培育成功，實現(xiàn)了水稻產(chǎn)量的大幅度提高。

然而，三系法雜交種后代會發(fā)生性狀分離，雜種優(yōu)勢完全喪失。農(nóng)民種植雜交種后，無法將其后代留種用作下一年使用。

“對于育種家和種子企業(yè)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于常規(guī)種子，限制了雜種優(yōu)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(yōu)勢的設(shè)想。無融合生殖是一種通過種子進行無性繁殖的生殖方式，是介于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(yōu)勢，保持雜交種后代性狀不發(fā)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(yōu)勢。如果在水稻等主要作物中實現(xiàn)無融合生殖，每年僅節(jié)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(fā)現(xiàn)有400多種植物可以通過無融合生殖產(chǎn)生種子，但主要農(nóng)作物并不在其列。如果能將無融合生殖這個特性引入到農(nóng)作物中，只要得到一個優(yōu)良的雜種單株，就能憑借種子迅速在生產(chǎn)上應(yīng)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(yōu)勢的利用，提高糧食產(chǎn)量和質(zhì)量。

1987年，中國工程院院士袁隆平在《雜交水稻》雜志上發(fā)表了《雜交水稻的育種戰(zhàn)略設(shè)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(zhàn)略發(fā)展階段，朝著程序上由繁到簡而效率越來越高的方向發(fā)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(yōu)勢的育種方法。同年，我國啟動了高技術(shù)研究發(fā)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(nèi)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(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的圣杯”，一旦實現(xiàn)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余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(gòu)也先后啟動無融合生殖研究計劃。

然而，盡管經(jīng)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(yīng)用于作物育種之中。

由于困難重重、阻力巨大，此后從事相關(guān)研究的科研團隊越來越少，無融合生殖研究逐漸從熱門領(lǐng)域變成了冷門領(lǐng)域。

“很可能是第二次綠色革命”

基于對減數(shù)分裂及生殖發(fā)育分子機制的深入研究，2019年，美國和中國科學家?guī)缀跬瑫r分別在無融合生殖固定雜種優(yōu)勢研究領(lǐng)域取得突破。

美國加州大學研究團隊發(fā)表于《自然》的研究成果，在常規(guī)稻中創(chuàng)建了無融合生殖體系；中國科學家團隊在《自然—生物技術(shù)》發(fā)表的成果，首次在雜交稻中創(chuàng)建了無融合生殖體系，獲得了雜交稻的克隆種子，實現(xiàn)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(xiàn)無融合生殖必須繞過正常減數(shù)分裂和受精過程，直接形成胚并產(chǎn)生種子。

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

他們選擇秈粳雜交稻品種春優(yōu)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(shù)，他們在春優(yōu)84中同時敲除PAIR1、REC8、OSD1和MTL 四個內(nèi)源基因，獲得了可以發(fā)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(xiàn)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(guān)注，為雜交種自我繁殖系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，開辟了利用無融合生殖固定雜種優(yōu)勢研究以及作物育種發(fā)展的新方向。

《自然—生物技術(shù)》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(shù)將大幅度降低雜交種生產(chǎn)成本，保證糧食安全”。

袁隆平評價到，我國科研人員借助精準的基因編輯技術(shù)，在秈粳雜交稻春優(yōu)84中將4個內(nèi)源基因敲除后，成功使雜交稻產(chǎn)生了無融合生殖性狀，產(chǎn)生了與雜交稻一樣的克隆種子，而且這個性狀可以穩(wěn)定遺傳到下一代。這個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(lǐng)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(xiàn)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(jié)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(guān)鍵基因、研究并解析無融合生殖的生物學基礎(chǔ)，是培育雜種優(yōu)勢固定作物的關(guān)鍵前提。這將為未來簡化育種程序、降低雜交作物生產(chǎn)成本、擴展雜種優(yōu)勢利用和保障世界糧食安全奠定基礎(chǔ)，具有極其重要的科學意義和應(yīng)用前景。

王克劍認為，植物無融合生殖的基礎(chǔ)研究還存在以下難點。

首先，無融合生殖發(fā)生機制不清楚。它涉及到植物生殖發(fā)育過程多個重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，還受到復雜調(diào)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(shù)分裂和雙受精過程一旦出現(xiàn)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(jīng)典遺傳學性狀分離與重組的遺傳規(guī)律，因此很難通過有性雜交轉(zhuǎn)移無融合生殖特性，且難以通過常規(guī)的圖位克隆技術(shù)手段來克隆相關(guān)基因。

美國和澳大利亞等多國科學家于2014年重新啟動“雜種優(yōu)勢捕獲計劃”國際聯(lián)合攻關(guān)，比爾和梅琳達·蓋茨基金會第一期投入1450萬美元用于支持無融合生殖攻關(guān)。

專家們建議，我國應(yīng)設(shè)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(lǐng)先地位。

來源： 《中國科學報》