如何获得一颗克隆种子?

2021-09-27 09:08:34

  杂种优势是一种广泛存在于动物和植物中的生物学现象,育种家利用杂种优势培育了大量性状优良的杂交作物。但由于杂交作物的后代会发生性状分离,杂种优势无法保持,需要育种家每年重新制种,成本高昂。有没有可能让杂交作物得到与自己一样的克隆后代,以此实现优势的固定?来自中国水稻研究所的王克剑研究员通过无融合生殖技术成功获得了杂交稻的克隆种子,实现了杂交稻无融合生殖从0到1的突破,并因此获得了2020年度陈嘉庚青年科学奖生命科学奖。

  民以食为天,从狩猎部落发展到农耕社会,人类不断提升自己掌控自然的能力以获得更加稳定的食物来源。直至今日,种植农作物仍是人们获得食物的最主要途径之一。从“靠天吃饭”到“科学育种”,每破解一个新的遗传学规律,人们的粮食生产效率就会相应地跃升一级。

  1865年,孟德尔通过经典的豌豆杂交试验打开了科学育种的大门,他发现并总结出的“独立分离定律”和“自由组合定律”奠定了经典遗传学的理论基础。此后,植物学家和育种学家开始通过杂交和选择的手段,结合双亲的优良性状,培育改良作物品种,开启了现代育种时代。

  以我们熟悉的水稻为例,就经历了常规育种、矮化育种、杂种优势利用这3个主要阶段。

  常规育种可以说是最传统的现代育种方式。简单来说,就是希望一株植物能结合双亲的优点,并且这些优点还要保持稳定,代代相传。

  所以,常规育种得到的水稻被称为“常规稻”,经过提纯,只包含纯合的遗传信息(如AA或者aa),能长期保持本品种的特性不变。

  但随着化肥使用量的激增,水稻在田间越长越高。大家逐渐意识到,长得太高也不是好事,竟然出现了产量与倒伏的矛盾。瘦高的水稻很容易“摔倒”(倒伏),一旦出现倒伏,水稻的产量便会断崖式下跌。于是,人们又开始进行矮化育种,也就是在挑选常规稻时多加了一条筛选标准,让水稻朝矮胖的方向发展。

  再后来,人们开始大规模利用“杂种优势”,即基因型不同的亲本个体杂交产生的杂种子一代,在产量和品质等性状上优于两个亲本的现象。利用杂种优势得到的水稻被称为“杂交稻”,与常规稻不同,杂交稻所含的遗传信息是非纯合的(如AaBb)。有观点认为,等位基因在杂合状态下天然地要比纯合状态表现得好,因而杂合体往往比纯合体显示出更大的生长优势。

  无性生殖换来克隆种子

  杂合体(仅指杂种子一代)的优势如此明显,但也有让人心烦的缺点,那就是后代会出现性状分离,优势无法保持。之所以出现这种现象,是因为含有非纯合遗传信息的杂交水稻在有性生殖时,来自父本和母本的遗传信息发生重组,产生带有不同遗传信息的配子(精子和卵子),融合后产生的杂交子二代基因不可能再和上一代保持一致。虽然产量和抗病性等方面明显优于常规稻,但由于杂交稻需要每年重新制种,成本较高,农民很难自己操作。

  为了降低工作量和生产成本,农业学家渴望研究出更优的方法。要是杂种子一代也能像常规稻一样,自交繁殖而不改变性状就好了。既然有性生殖中的基因重组无法避免,那么,能不能让植物进行无性生殖呢?

  这个被农业领域视为“圣杯”的百年难题吸引了世界各国的研究团队。1986年,袁隆平提出,将杂交水稻育种分为“三系法”“二系法”和“一系法”3个战略发展阶段。其中,“一系法”主要指通过无融合生殖技术形成克隆杂交种子的育种方法,被认为是杂交水稻育种的终极目标。

  2020年,中国农业科学院/中国水稻研究所的王克剑团队成功在水稻中实现了这种技术,绕过了植物正常的减数分裂与受精过程,得到了与杂交种基因完全一样的克隆种子。

  让减数分裂变成“有丝分裂”

  绕过减数分裂?虽然听起来有些不可思议,但实际上,只要找到调控减数分裂的关键基因,再关闭这些基因,就完全有可能达到绕过减数分裂的目的。

  为了达到这个目的,我们先来复习一下减数分裂,看看究竟是哪些步骤发生了遗传信息重组。

  产生配子的减数分裂过程如下,期间染色体发生一次复制,但却经历两次分裂。由于最终的配子细胞被分配到的染色体条数为分裂前细胞的一半,因而被称为“减数”分裂。在第一次分裂时,来自父方和母方的同源染色体发生联会,随后,非同源染色体自由组合进入两个细胞;在第二次分裂时,姐妹染色单体又被分别随机分配到了两个配子中,形成单倍体配子。

  我们关心的基因重组就主要发生在第一次分裂期间。染色体上的遗传信息不仅会趁着联会时偷偷“交换”,还会随着非同源染色体的自由组合而最终进入不同的配子。这样一来,雌雄配子结合形成的受精卵的基因型便不会再和上一代保持一致,产生性状分离,也就是我们常说的“一母生九子,连母十个样”。

  在基因PAIR1、REC8和OSD1同时突变的作用下,水稻配子形成过程中的减数

  寻找关键基因

  弄清楚这些,改造水稻的思路就变得清晰了。首先,要阻止同源染色体发生遗传信息交换。联会前,同源染色体会先彼此靠近(配对),待欲交换位置的DNA双链断裂后,便可顺利启动信息交换过程。研究人员发现,PAIR1基因能帮助此阶段的同源染色体进行配对。因此,突变这个基因就可以让染色体配对失败,从而阻止交换的发生。

  同源交换被制止了,染色体的自由组合也要叫停。最好能让细胞转而进行普通的有丝分裂。有丝分裂的特点是仅进行一次分裂,且分裂过程中,姐妹染色单体全部分离,被平均分配到两个子细胞中。如此一来,子细胞所含的遗传信息便和母本的体细胞一模一样,相当于产生了和母本遗传信息完全一致的克隆配子。当然,由于没发生“减数”分裂,染色体的数量并未减半。

  经过大量的筛选测试实验,REC8基因和OSD1基因成功进入了研究人员的视野。REC8基因表达的是一种黏连蛋白。正是因为有了这种蛋白,姐妹染色单体才不会在减数第一次分裂的过程中提前分离,能一起朝同一方向移动。如果它发生了突变,姐妹染色单体提前分离,就会发生类似于有丝分裂的行为。随后,研究人员又通过突变OSD1,一种能促使细胞进行第二次分裂的关键基因,使细胞的分裂过程止步于此,最终产生了和母本遗传信息一致的克隆配子。

  别让染色体再加倍!

  现在,利用同时突变3个基因的方法所改造的杂交稻已经能产生克隆配子了。但是,这种杂交稻的子代水稻生长优势却明显不如正常的杂交稻。可见,基因改造后的水稻仍不能将自身的杂种优势稳定地遗传下去。

  问题出在染色体的数量上。子代水稻的染色体数量发生了变化。克隆配子的染色体比正常配子中的染色体多了一倍,而受精过程会让染色体再次加倍。因此,如果我们想得到和母本植株一样的后代,完全继承母本的杂种优势,就要想办法阻止种子中的染色体加倍。换句话说,仅得到克隆配子还不够,我们的终极目标是克隆种子。

  所幸,这种行为在大自然中本就存在。一些植物或动物的生殖过程并不需要精细胞的参与,仅通过卵细胞就能发育成完整的胚胎或个体。这种现象被称为“孤雌生殖”,可以形成单倍体植株,植株体细胞内仅含有来自雌配子的染色体。

  向玉米学习

  “其实,在常规育种中,我们有时也会想办法诱导植物进行孤雌生殖。”王克剑研究员补充道,“比如,已经在玉米种植中广泛使用的单倍体育种技术,就是希望先获得玉米单倍体,然后再通过喷洒一些特殊的化学物质,让染色体数量加倍,成为纯合二倍体,也叫双单倍体。”显然,这种做法最大的好处就是能快速得到遗传信息稳定的纯合体植株,进而缩短以此为亲本材料的杂种育种周期。

  那么,用诱导玉米单倍体的方法去诱导水稻孤雌生殖不就可以了吗?“玉米比较幸运,很早之前,人们就发现在自然界天然存在能孤雌生殖的玉米。”由于能诱导母本的卵子直接形成单倍体,这种玉米被称为“诱导系”。虽然自然界中尚未发现水稻的诱导系,但如果知晓玉米诱导单倍体的机制,也就是与诱导功能有关的基因是什么,就有望据此改造水稻,获得人工的诱导系水稻。

  经过数十年的科研接力,研究人员发现了玉米诱导系的秘密。它们之所以能诱导单倍体,是因为一个名为MTL的基因发生了突变,使精子中的磷脂酶发生了变化,最终导致雄配子中的遗传物质逐渐消失。随后,研究人员在水稻中找到了MTL的同源基因,并利用基因组编辑技术使其失活,成功诱导出了与玉米单倍体类似的水稻单倍体。

  “可以说,在分别解决了克隆配子和单倍体问题后,距离获得克隆杂交种子仅剩一步之遥。”王克剑说道,“让与这两个问题相关的基因同时缺失,理论上就能实现无融合生殖,也就是获得一颗克隆种子。”

  2019年,王克剑团队选用了具有明显杂种优势的杂交稻“春优84”为实验品种,利用多基因编辑技术精准编辑了水稻有性生殖过程中的4个关键基因——PAIR1、REC8、OSD1和MTL,诱导能产生克隆配子的水稻进行孤雌生殖,终于获得了和亲本基因型完全一致的植株后代。

  在MiMe的基础上,进一步突变MTL基因,可诱导克隆雌配子直接形成克隆种子。这样,子代的性状便可和母本保持一致。图中染色体对数仅为示意。

  至此,杂交水稻无融合生殖技术实现了从0到1的突破,拥有杂种优势的种子可以将自己的优良性状以克隆种子的方式固定下来,代代传递。水稻育种也正一步步向着由繁到简的方向发展。

  新媒体编辑/小帆帆

文章来源: http://www.yzittp.cn/keji/1621807.html

标签:水稻克隆

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