大米是世界上最重要的食用植物之一但没有性别

日期:2019-08-29编辑作者:生命科学

与其他一些植物相比,大米只能繁殖性。但是研究人员现在改变了这一点:他们修改了水稻植物的遗传物质,使它们也可以无性繁殖。因此,可以使用幼苗,它们是母株的精确复制品。研究小组报告说,这些克隆在杂交种的育种和培育中特别有意义。该原则也适用于其他粮食作物。

说到水稻,也许很多人会想起袁隆平和他的杂交稻。学界普遍认为,袁隆平是首位成功改变水稻自花授粉的特点,且带来大规模杂交稻生产的科学家。他带来的优良杂交稻,产量比最优秀的自交品种还要高出20%。他的成功堪称奇迹,为解决全球粮食短缺问题带来了重要的解决方案。而袁隆平本人,也被称为是“杂交水稻之父”。

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几十年来,杂交种的繁殖已成为农业中的常见做法:通过杂交不同的物种或亚种,可以出现具有特别有利特性的作物。例如,它们将更具生产力,更不易受疾病影响,或更能应对极端天气条件

这些特征在面对气候变化和不断增长的世界人口时变得越来越重要。问题在于,混合动力车在第二代经常会失去一些优良品质。罪魁祸首是生殖过程,其中某些所需的遗传特征有时会丢失。

杂交水稻虽然性状优良,但在育种和种植上,却不如普通水稻来得那么简便,这也正是许多杂交作物的通病——在有性繁殖的过程中,带来高产量等优良特性的遗传物质,会出现分离。这样一来,杂交作物的后代,往往无法保持同样的优良性状。因此,农学家们每年都要重新进行育种,而种植杂交作物的农民们也需要每年购买新的种子。

简单地生成完美混合体的克隆是多么实用?对于一些植物,这确实有效。因为它们无性繁殖

这通过有丝分裂产生母体生物的有丝分裂拷贝。然而,重要的粮食作物如稻米,玉米和小麦不能进行这种繁殖。但那是为什么呢?为了找到答案,来自加州大学戴维斯分校的Imtiyaz Khanday在亚洲水稻Oryza sativa基因组中的科学家一直在寻找线索。他们发现:一种名为BBM1的基因在精子中的水稻中表达,但不在卵细胞中表达。具有讽刺意味的是,这种基因似乎在受精后的幼苗发育中起着至关重要的作用。

至少那是大自然的意图。但正如进一步调查显示的那样,这个问题可以解决。要允许在大米无性繁殖,研究人员利用基因刀具CRISPR / Cas9最初植物的减数分裂能力并列。在细胞的染色体的此细胞分裂过程被减半 - 在有性生殖,这补偿了通过一个父亲的合并和母核发生加倍。对于转基因植物,卵母细胞因此保留了它们的双重染色体组,并且仅由母体遗传物质组成。现在采取了决定性的步骤:研究小组修改了卵细胞,使其也表达了基因BBM1。“所以我们有一个二倍体蛋,

事实上,事实证明,由此产生的稻子后代保留了母本植物的所有特征。“这证明大米可以转化为无性繁殖植物,”该团队写道。将来,有必要进一步优化久经考验的过程。因为到目前为止,该程序仅在大约30%的案例中成功。如果科学家们取得成功,这可能是农业向前迈出的重要一步。特别是那些每年都买不起新杂交种子的较贫穷的农民,可以从他们自己的植物中榨取质量相当的后代。Khanday和他的同事强调,理论上这不仅适用于大米,也适用于玉米等其他作物。

先前,科学家们发现大约有400种植物具有特殊的“无性繁殖”能力。它们无需受精,就能产生可繁育后代的种子。不考虑突变的前提下,通过这种繁殖方式产生的后代,遗传物质与亲本可谓如出一辙。如果也能利用水稻的种子实现无性繁殖,不就可以轻松维持杂交水稻的高产性状了吗?

为了实现这个技术突破,来自加州大学戴维斯分校的一支研究团队首先想要了解在植物发育过程中,受精卵想要变成胚胎,背后有着怎样的分子生物学通路。他们发现在水稻里,有一个叫做“婴儿潮”的基因家族。其中,有一条BBM1基因只在精子里表达。在精子与卵子结合之后,受精卵里的BBM1活性,也主要来自于精子的贡献。

科学家们敏锐地指出,BBM1有可能是启动胚胎发育的“开关”。为了测试这个想法,他们敲除了BBM1,BBM2,以及BBM3基因,观察胚胎发育是否会有变化。果不其然,在几条BBM基因失去功能之后,水稻的胚胎发育也随之终止。

更重要的是,在这三重突变体里引入BBM1基因,可以重新启动胚胎发育过程。

让我们来整理一下科学家们的发现:在受精卵中,有着植物发育所需的完整基因组。只要提供BBM1基因,就能让受精卵变成胚胎,启动后续的发育过程。

这打开了通往水稻种子无性繁殖的大门。

充满创意的研究人员们利用基因编辑手段,去除了水稻的“减数分裂”能力。这样一来,它们产生的卵细胞只会经历“有丝分裂”,依旧带有所有的染色体。随后,研究人员们让这些卵细胞表达BBM1。正如他们所预期的那样,这些卵细胞无需受精,就可以变成胚胎。

这样做的好处在于,产生优良性状的遗传物质不会分离,因此性状较难丢失。

“我们有一个双倍体的卵细胞,它能形成胚胎,长成一个克隆体。”本研究的通讯作者Venkatesan Sundaresan教授说道。

这些克隆体,能否保持杂交水稻的优良性状呢?在一项实验中,研究人员们使用这种技术,培育了多代水稻。通过全基因组测序,以及随机SNP验证的方法,科学家们证实,这些后代都具有预期的遗传多样性,表明的确可以通过这一技术,对杂交水稻进行无性繁殖。

曾几何时,利用主要作物的种子进行无性繁殖,被认为是农业上的一大圣杯。如今,这一难关已被科学家们攻克。正如Sundaresan教授所言,这项工作“有望为农业带来变革”。据估计,到2050年,地球的总人口将接近100亿。为了填饱那么多人的肚子,我们期待未来能有更多重磅农业突破降临。

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