說到水稻，也許很多人會想起袁隆平和他的雜交稻。學(xué)界普遍認(rèn)為，袁隆平是首位成功改變水稻自花授粉的特點，且?guī)泶笠?guī)模雜交稻生產(chǎn)的科學(xué)家。他帶來的優(yōu)良雜交稻，產(chǎn)量比最優(yōu)秀的自交品種還要高出20%。他的成功堪稱奇跡，為解決全球糧食短缺問題帶來了重要的解決方案。而袁隆平本人，也被稱為是“雜交水稻之父”。

 

　　雜交水稻雖然性狀優(yōu)良，但在育種和種植上，卻不如普通水稻來得那么簡便，這也正是許多雜交作物的通病——在有性繁殖的過程中，帶來高產(chǎn)量等優(yōu)良特性的遺傳物質(zhì)，會出現(xiàn)分離。這樣一來，雜交作物的后代，往往無法保持同樣的優(yōu)良性狀。因此，農(nóng)學(xué)家們每年都要重新進(jìn)行育種，而種植雜交作物的農(nóng)民們也需要每年購買新的種子。
 

　　先前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大約有400種植物具有特殊的“無性繁殖”能力。它們無需受精，就能產(chǎn)生可繁育后代的種子。不考慮突變的前提下，通過這種繁殖方式產(chǎn)生的后代，遺傳物質(zhì)與親本可謂如出一轍。如果也能利用水稻的種子實現(xiàn)無性繁殖，不就可以輕松維持雜交水稻的高產(chǎn)性狀了嗎？

 

▲本研究的第一作者Imtiyaz Khanday博士（左）與通訊作者Venkatesan Sundaresan教授（右）（圖片來源：Karin Higgins/UC Davis）
 

　　為了實現(xiàn)這個技術(shù)突破，來自加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的一支研究團(tuán)隊首先想要了解在植物發(fā)育過程中，受精卵想要變成胚胎，背后有著怎樣的分子生物學(xué)通路。他們發(fā)現(xiàn)在水稻里，有一個叫做“嬰兒潮”（Baby Boom，縮寫B(tài)BM）的基因家族。其中，有一條BBM1基因只在精子里表達(dá)。在精子與卵子結(jié)合之后，受精卵里的BBM1活性，也主要來自于精子的貢獻(xiàn)。
 

　　科學(xué)家們敏銳地指出，BBM1有可能是啟動胚胎發(fā)育的“開關(guān)”。為了測試這個想法，他們敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，觀察胚胎發(fā)育是否會有變化。果不其然，在幾條BBM基因失去功能之后，水稻的胚胎發(fā)育也隨之終止。
 

　　更重要的是，在這三重突變體里引入BBM1基因，可以重新啟動胚胎發(fā)育過程。

▲BBM1基因是啟動胚胎發(fā)育的開關(guān)（圖片來源：參考資料[1]）
 

　　讓我們來整理一下科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)：在受精卵中，有著植物發(fā)育所需的完整基因組。只要提供BBM1基因，就能讓受精卵變成胚胎，啟動后續(xù)的發(fā)育過程。
 

　　這打開了通往水稻種子無性繁殖的大門。
 

　　充滿創(chuàng)意的研究人員們利用基因編輯手段，去除了水稻的“減數(shù)分裂”能力。這樣一來，它們產(chǎn)生的卵細(xì)胞只會經(jīng)歷“有絲分裂”，依舊帶有所有的染色體。隨后，研究人員們讓這些卵細(xì)胞表達(dá)BBM1。正如他們所預(yù)期的那樣，這些卵細(xì)胞無需受精，就可以變成胚胎。
 

　　這樣做的好處在于，產(chǎn)生優(yōu)良性狀的遺傳物質(zhì)不會分離，因此性狀較難丟失。

▲研究人員們跳過了減數(shù)分裂這一步，產(chǎn)生了具有完整基因組的卵細(xì)胞（圖片來源：參考資料[1]）
 

　　“我們有一個雙倍體的卵細(xì)胞，它能形成胚胎，長成一個克隆體。”本研究的通訊作者Venkatesan Sundaresan教授說道。
 

　　這些克隆體，能否保持雜交水稻的優(yōu)良性狀呢？在一項實驗中，研究人員們使用這種技術(shù)，培育了多代水稻。通過全基因組測序，以及隨機(jī)SNP驗證的方法，科學(xué)家們證實，這些后代都具有預(yù)期的遺傳多樣性，表明的確可以通過這一技術(shù)，對雜交水稻進(jìn)行無性繁殖。

▲后代產(chǎn)生的種子大小與親本很接近（圖片來源：參考資料[1]）
 

　　曾幾何時，利用主要作物的種子進(jìn)行無性繁殖，被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)上的一大圣杯。如今，這一難關(guān)已被科學(xué)家們攻克。正如Sundaresan教授所言，這項工作“有望為農(nóng)業(yè)帶來變革”。據(jù)估計，到2050年，地球的總?cè)丝趯⒔咏?00億。為了填飽那么多人的肚子，我們期待未來能有更多重磅農(nóng)業(yè)突破降臨。