让高产水稻变得实惠且可持续

让高产水稻变得实惠且可持续

水稻是全球一半以上人口的主食作物，但大多数农民不种植高产品种，因为种子太贵了。加州大学戴维斯分校和伯克利分校的研究人员已经找到了一个潜在的解决方案：激活两个基因米饭鸡蛋细胞无需受精就能触发其发育成胚胎，从而有效地创造出高产的水稻和其他作物的克隆品系。

Venkatesan Sundaresan 在加州大学伯克利分校举行的 2024 年 Inside IGI 会议上介绍了他的实验室在自克隆杂交作物方面的突破性工作。（照片：Glenn Ramit）

领导的团队 文卡特桑达雷桑，IGI 研究员，植物生物学 和 植物科学 在加州大学戴维斯分校， 以前显示 一种叫做 BBM1水稻卵细胞中的基因可以启动受精卵形成胚胎的能力。然而，这种方法只有 30% 的时间有效。现在，该团队已经证明，同时激活第二个基因， WOX9A，成功率提高到 90% 左右。这一发现 出版 12 月 XNUMX 日Nature Plants.

“令人惊奇的是，在克隆杂交种方面，经过 20 年的失败尝试，我们最近取得了如此大的进展——从 2019 年证明它实际上是可行的，到现在证明它可以在 2024 年有效发挥作用，”Sundaresan 说。“我现在非常乐观，杂交种将不再是实现全球高产可持续农业的障碍。”

一种经济有效的养活世界的方法

杂交水稻是通过两种纯种杂交产生的，产量几乎是纯种的两倍，但生产杂交水稻的成本很高，农民每年都需要购买新种子。如果杂交水稻可以无性繁殖，农民就可以把种子留到下一年。如何培育无性繁殖水稻一直是科学家们 30 多年来一直在努力解决的难题。

Sundaresan 的团队此前曾证明 BBM1 是植物胚胎发育的重要触发因素，在卵子中激活该基因可以克服受精的需要。

“开启 BBM1 Sundaresan 表示：“人工在卵细胞中植入的种子足以启动胚胎发育并形成新的植物，但这个过程只有三分之一的时间有效。我们想知道的是，也许 BBM1 还不够；也许需要帮助。”

通过检查受精植物卵子中哪些基因被激活，研究人员发现了一个基因， WOX9A， 只有精子携带的基因副本才是表示当他们同时激活两个 BBM1 和 WOX9A 在水稻卵细胞中， 90% 的情况下，它会导致胚胎形成，尽管激活 WOX9A 单独使用不会导致胚胎发育。

“我们认为 BBM1 Sundaresan 说：“这相当于拨动了一个开关，让卵细胞准备好转变为胚胎，但这个开关并不是固定的。所以， WOX9A 进来并夹紧开关，使其不会翻转。”

无需杂交即可获得杂交优势

由于它们是由未受精卵产生的，因此通过这种方法产生的植物是单倍体，这意味着它们含有的染色体数量只有正常数量的一半。虽然单倍体水稻植株确实会发芽和生长，但与携带两个基因拷贝的二倍体植株相比，它们往往发育不良。

“单倍体是植物育种中产生纯系的宝贵工具，可以实现作物的统一生产，”通讯作者说。 伊姆蒂亚兹汗戴加州大学戴维斯分校植物科学系植物生殖生物学助理教授 农业与环境科学学院“这些发现对于以高频率生产保留杂种优势的克隆种子也具有重要意义。”

研究人员表示，下一步是将这种方法结合起来，激活 BBM1 和 WOX9A 他们利用“合成无融合生殖”技术 以前开发的 用于无性繁殖克隆种子。这意味着农民只需保留部分作物来年种植，就可以年复一年地享受杂种优势带来的好处。

Sundaresan 表示：“如果我们将这种无需受精就能让卵细胞发育成胚胎的技术与另一种消除减数分裂的技术结合起来，我们就能高效地生产出高产杂交种子。在资源日益匮乏的当今世界，这为稻农提供了一条可持续农业发展之路，未来也将为其他作物的发展提供借鉴。”

这项研究的其他作者包括：加州大学戴维斯分校的 Hui Ren 和 Kyle Shankle，以及加州大学伯克利分校的 Myeong-Je Cho 和 Michelle Tjahjadi。这项研究得到了美国国家科学基金会和美国农业部 (USDA) 农业实验站的支持。

了解更多：Ren H, Shankle K, Cho MJ, Tjahjadi M, Khanday I, 和 Sundaresan V. 父系杂交对水稻卵细胞中受精独立胚胎发生的协同诱导基因组-表达转录因素。Nature Plants (2024)https://doi.org/10.1038/s41477-024-01848-z