来自 趣事 2021-09-15 12:08 的文章

如何获得一颗克隆种子

杂种优势是广泛存在于动植物中的一种生物现象,育种家利用杂种优势培育了大量性状优良的杂交作物。然而,由于杂交作物的后代会经历性状分离,杂种优势无法保持,育种者需要每年重新播种,成本高昂。杂交作物有没有可能获得和自己一样的克隆后代,从而实现优势的固定?中国水稻研究所研究员王克俭通过无融合生殖技术成功获得杂交水稻克隆种子,实现了杂交水稻无融合生殖从0到1的突破,从而获得2020年陈嘉庚青年科学奖生命科学奖。
 
人们以食物为重,从狩猎部落到农耕社会,人类为了获得更稳定的食物来源,不断提高驾驭自然的能力。到目前为止,种植农作物仍然是人们获得食物的最重要方式之一。从“靠天吃饭”到“科学养殖”,每破解一条新的遗传规律,人们的粮食生产效率就会相应地跃上一个台阶。
 
1865年,孟德尔通过经典的豌豆杂交实验打开了科学育种的大门,他发现和总结的“独立分离现象”和“自由结合定律”奠定了经典遗传学的理论基础。此后,植物学家和育种家开始通过杂交和选择的手段,结合亲本的优良性状,培育和改良作物品种,从而开启了现代育种时代。
 
以常见的水稻为例,它经历了常规育种、矮化育种和杂种优势利用三个主要阶段。
 
常规育种可以说是最传统的现代育种方法。简单来说,就是希望一株植物能结合双亲的优点,这些优点保持稳定,代代相传。
 
因此,通过常规育种获得的水稻被称为“常规水稻”。纯化后只含有纯合遗传信息(如aa或AA),可长期保持该品种的性状不变。
 
然而,随着化肥使用量的迅速增加,水稻在田间长得越来越高。人们逐渐意识到太高不是好事,产量和倒伏之间存在矛盾。又高又瘦的水稻容易“倒”(倒伏)。一旦发生倒伏,水稻的产量就会像悬崖一样下降。于是,人们又开始培育矮化水稻,即在选择常规水稻时,多加了一个筛选标准,使水稻向矮化发展。
 
后来,人们开始大规模利用“杂种优势”,即不同基因型的亲本所产生的杂交子代在产量和品质上均优于两亲本。通过杂种优势获得的水稻称为“杂交水稻”。与常规水稻不同,杂交水稻所包含的遗传信息不是纯合的(如AaBb)。有人认为等位基因在杂合状态下自然表现比纯合状态更好,所以杂种往往表现出比纯合更大的生长优势。
 
 
克隆种子以换取无性能力。
 
杂交(仅指第一代杂交种子)的优势如此明显,但也有令人讨厌的缺点,即后代会有性状分离,优势无法保持。造成这种现象的原因是,在含有非纯合遗传信息的杂交水稻有性生殖过程中,来自雌雄亲本的遗传信息发生重组,导致遗传信息不同的配子(精子和卵子),融合后产生的杂交水稻第二代基因无法再与上一代一致。虽然杂交水稻的产量和抗病性明显优于常规水稻,但由于杂交水稻每年都需要复种,成本较高,农民很难自行操作。
 
为了减少工作量和生产成本,农学家们渴望研究更好的方法。如果杂交种子一代能像传统水稻一样,在不改变性状的情况下自我繁殖,那就太好了。既然有性生殖中的基因重组是不可避免的,那么植物可以无性生殖吗?
 
这个被农业领域视为圣杯的百年难题,吸引了来自世界各地的研究团队。1986年,袁隆平提出将杂交水稻育种分为“三系法”、“两系法”和“一系法”三个战略发展阶段。其中,“一系法”主要是指通过无融合生殖技术克隆杂交种子的育种方法,被认为是杂交水稻育种的最终目标。
 
2020年,中国农业科学院/中国水稻研究所王克健团队成功在水稻上实现了这一技术,绕过了植物正常的减数分裂和受精过程,获得了与杂交基因完全相同的克隆种子。
 
让减数分裂变成有丝分裂。
 
绕过减数分裂?虽然听起来不可思议,但其实只要我们找到调控减数分裂的关键基因并将其关闭,完全有可能绕过减数分裂。
 
为了实现这个目标,让我们回顾一下减数分裂,看看发生了哪些遗传信息重组的步骤。
 
配子的减数分裂过程如下,在此过程中染色体复制一次,但经历两次分裂。最后的配子细胞被称为“减数分裂”分裂,因为分配给它的染色体数量是分裂前细胞的一半。在第一次分裂过程中,来自亲本和母体的同源染色体结合在一起,然后,非同源染色体自由地结合成两个细胞。在第二次分裂中,姐妹染色单体被随机分配给两个配子,形成单倍体配子。
 
我们关心的基因重组主要发生在第一次分裂期间。染色体上的遗传信息不仅会在突触过程中秘密“交换”,还会随着非同源染色体的自由组合进入不同的配子。这样,雌雄配子结合形成的受精卵基因型将不再与上一代一致,导致性格分离,也就是我们常说的“一个母亲生九个孩子,甚至十个母亲”。
 
 
水稻配子形成的减数分裂是由基因PAIR1、REC8和OSD1同时突变引起的。
 
寻找关键基因。
 
知道了这一点,改造水稻的想法就变得清晰了。首先要防止同源染色体交换遗传信息。突触前,同源染色体会先相互靠近(配对),待交换位置DNA双链断裂后,信息交换过程才能顺利开始。研究人员发现,在这个阶段,PAIR1基因可以帮助同源染色体匹配。因此,这种基因的突变会使染色体配对失败,从而阻止交换。
 
同源交换停止了,染色体的自由组合也停止了。最好让细胞进行正常的有丝分裂。有丝分裂的特点是只有一次分裂,在分裂的过程中,所有的姐妹染色单体被分离出来,均匀分布到两个子细胞中。这样,子细胞中包含的遗传信息与母本的体细胞完全相同,相当于产生了与母本遗传信息完全一致的克隆配子。当然,因为没有减数分裂,染色体数目也没有减半。
 
经过大量的筛选试验,REC8基因和OSD1基因成功进入研究人员的视野。REC8基因表达一种粘附蛋白。因为这种蛋白质,姐妹染色单体在第一次减数分裂时不会提前分离,可以一起向同一个方向移动。如果它发生突变,姐妹染色单体提前分离,就会发生有丝分裂行为。然后,通过突变能促进第二次细胞分裂的关键基因OSD1,研究人员停止了细胞分裂过程,最终产生了与母本遗传信息相同的克隆配子。
 
不要染色体加倍!
 
现在,通过同时突变三个基因而转化的杂交水稻已经能够产生克隆的配子。然而,这种杂交水稻后代的生长优势明显不如普通杂交水稻。因此,转基因水稻仍然不能稳定地遗传其杂种优势。
 
问题在于染色体的数量。后代水稻染色体数目发生变化。克隆配子的染色体数量是正常配子的两倍,受精过程会使染色体再次加倍。因此,要想获得与母株相同的后代,充分遗传母株的杂种优势,就必须想办法防止种子中的染色体加倍。换句话说,仅仅获得克隆配子是不够的。我们的最终目标是克隆种子。
 
好在这种行为在自然界已经存在。一些植物或动物的生殖过程不需要精子的参与,而只能通过卵细胞发育成完整的胚胎或个体。这种现象称为孤雌生殖,可以形成单倍体植株,植株的体细胞只含有来自雌配子的染色体。
 
向玉米学习。
 
"事实上,在常规育种中,我们有时试图诱导植物孤雌生殖."王克俭研究员补充道,“比如在玉米种植中已经广泛应用的单倍体育种技术,就是先获得玉米单倍体,然后喷洒一些特殊的化学物质,使染色体数目加倍,成为纯合二倍体,也叫双单倍体。”显然,这种方法最大的优点是可以快速获得遗传信息稳定的纯合植株,进而以此为亲本缩短杂交育种周期。
 
那么,通过诱导单倍体玉米来诱导水稻孤雌生殖还不够吗?“玉米是幸运的。很久以前,人们就发现自然界中有自然孤雌生殖的玉米。”这种玉米被称为“诱导系”,因为它可以直接诱导母本的卵子形成单倍体。虽然自然界尚未发现水稻诱导剂,但如果我们知道玉米单倍体诱导的机制,即与诱导功能相关的基因是什么,就有望转化水稻,获得人工诱导剂水稻。
 
经过几十年的科研接力,科研人员发现了玉米诱导系的秘密。他们之所以能诱导单倍体,是因为一个叫MTL的基因发生了突变,改变了精子中的磷脂酶,最终导致雄性配子中的遗传物质逐渐消失。随后,研究人员在水稻中发现了MTL同源基因,并通过基因组编辑技术将其灭活,成功诱导出类似玉米单倍体的水稻单倍体。
 
“可以说,在分别解决了克隆配子和单倍体的问题后,距离获得克隆杂交种子只有一步之遥。”王克俭说,“如果同时删除与这两个问题相关的基因,理论上可以实现无融合生殖,即获得克隆种子。”
 
2019年,王克健团队选择杂种优势明显的杂交水稻“春优84”作为试验品种,对水稻有性生殖过程中的4个关键基因——PAIR1、REC8、OSD1和MTL进行了精确编辑,并诱导能产生克隆配子的水稻进行孤雌生殖,最终获得了与亲本基因型相同的植株后代。
 
在MiMe的基础上,进一步突变MTL基因可以诱导克隆雌配子直接形成克隆种子。这样,后代的性格就可以和母本一致。图中染色体对数仅供说明。
 
到目前为止,杂交水稻无融合生殖技术已经实现了从0到1的突破,具有杂种优势的种子可以通过克隆种子来固定其优良性状,并代代相传。水稻育种也在从繁到简的方向一步步发展。