科學家用山柳菊關鍵基因實現雜交水稻無融合生殖

　　5月27日，《植物通訊》（Plant Communications）在線發表了中國水稻研究所研究員王克劍團隊，聯合荷蘭拉德堡德大學教授Charles J. Underwood團隊、海南崖州灣國家實驗室研究員、中國科學院院士錢前團隊以及長江大學教授邱先進團隊完成的研究論文。他們通過整合山柳菊無融合生殖關鍵基因PpPAR與MiMe（Mitosis instead of Meiosis）模塊，在雜交水稻中實現了穩定高效的克隆種子生產。

　　19世紀中葉，孟德爾在豌豆實驗取得成功后，試圖將成功經驗推廣到新的物種山柳菊上。然而他在試圖用山柳菊驗證豌豆實驗結論時，卻遭遇了失敗。山柳菊的雜交后代無法呈現預期的性狀分離規律。這個生物學特例的打擊，讓孟德爾十分沮喪，也主動放棄了山柳菊的研究。

　　這一謎題困擾科學界多年，直到1904年終于迎來轉機。丹麥植物學家Carl Hansen Ostenfeld在研究山柳菊時，首次提出“無融合生殖”概念。無融合生殖能讓某些植物通過改變胚胎發育路徑，胚的形成完全或部分不依賴雌雄配子的結合，而是由母體的未受精生殖細胞（如卵細胞、助細胞或珠心細胞等）直接發育成胚，最終形成種子。這就像給優勢基因組合打造了一個“時間膠囊”，能將其完整地傳遞給后代。這個顛覆性的發現如同一束光，照亮了山柳菊的神秘面紗，也為育種學家提供了一種全新的育種思路。

　　2022年，Charles J. Underwood等從山柳菊中鎖定關鍵候選基因PpPAR，該基因與蒲公英的孤雌生殖基因ToPAR結構和表達模式十分相似。但是該基因功能至今未得到有效驗證。

　　研究團隊以此為切入點，將山柳菊的PpPAR基因導入雜交水稻“春優84”中，并開展系統性研究。在構建單倍體誘導系統時，團隊利用擬南芥AtDD45啟動子誘導PpPAR在水稻卵細胞中以為表達，誘導產生純合單倍體后代。13個獨立株系中單倍體誘導率最高達1.5%，為快速創制純合系提供了新途徑。

　　當PpPAR與MiMe協同作用時，令人驚喜的現象出現了——“Fix5”轉基因株系的克隆效率在T0代最高達84.6%，且遺傳穩定性在T1、T2代中保持良好。全基因組測序證實，克隆種子100%保留親本雜合性，成功固定雜交優勢。

　　盡管當前轉基因株系結實率（52.1%-72.6%）低于常規雜交稻（84.1%），但實驗發現，克隆效率與PpPAR表達量呈正相關。表達量最高的株系克隆率達88.9%，為后續優化指明方向。

　　中國水稻研究所水稻生物育種全國重點實驗室特聘副研究員熊杰、碩士姬亞捷、碩士楊深琳為論文共同第一作者，王克劍為通訊作者。研究得到國家自然科學基金、中國農業科學院創新工程、中國農科院國家南繁研究院南繁專項等資助。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101387