雜交水稻的基因工程技術-雜交水稻運用基因工程技術嗎
雜種優勢已在作物中得到廣泛應用，特別是通過在種子作物中培育表現出優異產量潛力和穩定性的F1雜交種子。然而，F2后代種子容易發生性狀分離，因此，F1雜交種子必須在每個作物季節更換。水稻異交率較低，F1雜交種子的生產依賴于復雜的雄性不育系統的實施，導致雜交種子成本較高。因此，雜交水稻的傳播基本上僅限于具有高效和完善的種子生產和分配系統的地區。因此，雜交稻的效益尚未惠及大量稻農，雜交稻更高的生產潛力、在環境波動下的穩定性以及更低的投入需求在很大程度上仍未得到開發。
無融合生殖是雄性不育系統的一個革命性替換方案，通過種子進行無性繁殖，隨著世代更迭而不改變雜交品種的雜合基因型，使得雜交后代不發生性狀分離。無融合生殖在自交系水稻中被證明是可行的，研究人員利用 CRISPR/Cas9編輯技術敲除三個與減數分裂相關的基因，并在卵細胞中異位表達 BBM1，最終使這些水稻品系能夠在不經過減數分裂，使卵細胞直接發育成胚進而完成無融合生殖過程，無融合生殖水稻植株以10-30%的比率產生克隆種子，但是無融合生殖種子的形成比率仍然太低，無法設想該技術在農業中的應用。
近日，科研人員在國際知名期刊Nature Communications上發表“High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice”的研究文章，該研究將CRISPR/Cas9介導的MiMe失活系統和孤雌生殖誘導系統一次性構建到同一個T-DNA上，在卵特異性啟動子的作用下，可以在水稻的F1雜種中實現高效無融合生殖，二倍體比率大大提高，且無融合生殖植物在連續世代中保持F1雜種的表型。
研究人員將商業F1雜交種BRS-CIRAD 302選為水稻無融合生殖研究的模式品種，構建了三個載體，第一個載體（T313）通過利用 CRISPR/Cas9編輯技術敲除PAIR1, REC8, OSD1,（此三突材料命名為MiMe）抑制減數分裂；第二個載體（T314）在T313背景上增加了攜帶由擬南芥的卵細胞特異性啟動子EC1.2驅動的水稻的BBM1基因；第三個載體（T315）在T314基礎上，用水稻內源卵特異性啟動子（ECA1.1）驅動OsBBM1基因.基于農桿菌介導的遺傳轉化，T313、T314和T315分別產生41、49和88個T0轉化體，可育T0植株的頻率平均分別為53%、49%和44%。
圖1 T314和T315轉化事件的后代植物的倍性和基因型
研究人員在所檢測的T313、T314和T315可育T0植物群體中鑒定了4、10和18個MiMe突變體，其中，T313的所有后代植物都是四倍體，而T314中的9個、T315中的13個產生了80%以上的二倍體后代，表明在T0 T314和T315 MiMe事件中，從卵細胞誘導孤雌生殖植物的頻率非常高。為了確定這種高頻率在各代之間是否保持穩定，研究人員選擇了兩個T314（15.1和37.7）和四個T315（3.2、5.4、8.1和8.2）事件，它們以超過92%的比率產生二倍體后代（T1），對每株系5個T1植株的T2后代植株的倍性水平的測定表明，二倍體的頻率非常高，接著分析了此四個事件中三個T2植物的T3后代植物。發現T3種子的發芽率接近100%。四個事件的平均二倍體植株形成頻率高于90%。為了進一步測試克隆繁殖是否發生，研究人員對1F和D24親本、BRS-IRAD 302、F2后代、2個T0（事件15.1和37.7）以及6個T1和18個T2后代進行了全基因組測序，所有T0、T1和T2植物在整個基因組中保留了雜合親本基因型，表明它們是完全克隆的，表明，通過結合MiMe突變和BBM1的卵細胞表達誘導的合成無融合生殖，允許F1雜種通過種子進行非常有效的克隆繁殖。
表1 T313、T314、T315 T1植株的倍型
表2 T314、T315 T2和T3代中二倍體植物的頻率
為了測試BRS-IRAD 302雜交種中實現無融合生殖的高頻率是雜交遺傳背景的結果還是一體化構建設計的結果，研究人員將T314和T315遺傳轉化進Kitaake品種。結果和BRS-IRAD 302相似，表明無融合生殖的高頻率是一體化構建設計的結果。研究人員對無融合生殖系進行表型考察，發現它們表現出與F1雜種相似的大致一致的表型。與BRS-IRAD 302對照植物相比，無融合生殖系的結實率略有降低，，平均籽粒灌漿率在2 7–35.5%范圍內，接著，研究人員研究了無融合生殖系與F1雜種收獲的谷物的差異，發現與從F1雜種收獲的有性F2種子相比，在無融合雜種植物上收獲的克隆種子的胚乳顯示出完全相同的形狀和未改變的功能質量特征。
圖2 T314和T315后代植株的表型、穗育性和籽粒質量。
擁有一種將雜交種轉化為無融合生殖的有效工具將是非常有價值的。無融合生殖使得育種者能夠利用F1雜交種的優異的產量表現和穩定性，以及表現出生物和非生物脅迫耐受性，從而更好地應對全球氣候變化和糧食需求增加帶來的挑戰。
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https://www.nature.com/articles/s41467-022-35679-3
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