在两种高粱杂交种中诱导合成无融合生殖，实现了多代间的种子产量和基因型保持

《Plant Biotechnology Journal》：Induction of Synthetic Apomixis in Two Sorghum Hybrids Enables Seed Yield and Genotype Preservation Over Multiple Generations

通过CRISPR/Cas9敲除高粱的spo11、rec8、osdL1和osdL3基因，并结合表达Cenchrus ASGR-BBML2基因诱导的孤雌生殖，成功在两种杂交高粱中诱导合成无性生殖。子代在多代自花授粉中保持杂合性，但种子产量较杂交对照显著降低，需进一步优化基因剂量和表达效率。

　　### 解读：合成无融合生殖在高粱中的应用

#### 引言：无融合生殖的潜力与挑战

在植物生物学中，有性生殖是种子形成的核心机制，它通过减数分裂和随后的配子融合，为植物种群提供遗传多样性。然而，一些植物可以通过无融合生殖（apomixis）形成种子，这种机制能够保留母本的基因型，从而在某些作物中成为一种潜在的繁殖方式。无融合生殖在作物育种中的应用长期以来受到关注，因为其能够降低杂交种子生产的成本，并使小农户能够保存和播种杂交种子。尽管在许多自然无融合生殖的物种中已经取得了一些进展，但在主要作物中，如高粱，这种机制却尚未实现。

高粱是一种在非洲被驯化的谷物作物，如今广泛种植于全球，用于人类食用、牲畜饲料、生物燃料和牧草生产。它在恶劣环境和边际土地上展现出较强的适应性和生存能力，这使其成为一种具有重要农业价值的作物。然而，由于高粱天然为自花授粉植物，杂交种的生产一直面临挑战。因此，引入无融合生殖机制，使得高粱能够通过种子进行无性繁殖，将为农业生产带来新的可能性。

#### 研究背景与目标

本研究旨在探索一种合成无融合生殖的方法，以在高粱杂交品种中实现无性繁殖。无融合生殖的实现通常依赖于两个关键机制：减数分裂的回避（meiotic avoidance）和胚乳的单倍体发育（parthenogenesis）。减数分裂的回避可以通过基因编辑技术，如CRISPR/Cas9，敲除特定的基因来实现，而胚乳的单倍体发育则需要引入能够激活单倍体发育的基因。

为了验证这些方法的可行性，研究团队对两个高粱杂交品种进行了实验。其中，Tx623作为母本，Tx430或非洲地方品种Macia作为父本。研究的主要目标是通过基因编辑和转基因技术，使高粱能够形成无性繁殖的种子，并确保这些种子能够在多个世代中稳定地保持杂交种的基因型。此外，研究还关注了如何优化基因编辑的效率，以提高杂交种的产量和质量。

#### 方法与技术路径

为了实现无融合生殖，研究团队采用了两种不同的策略。第一种是两步法，即先通过基因编辑技术诱导减数分裂的回避，然后通过转基因技术诱导胚乳的单倍体发育。第二种是单步法，将所有所需的基因编辑和转基因成分整合到一个T-DNA载体中，从而一次性完成整个过程。

在两步法中，首先对Tx430进行基因编辑，以敲除与减数分裂相关的基因，如Spo11、Rec8、OsdL1和OsdL3。这些基因的敲除能够防止减数分裂的发生，使细胞在减数分裂过程中进行有丝分裂，从而形成二倍体配子。接着，将来自Cenchrus的ASGR-BBML2基因引入到高粱中，该基因在卵细胞中表达，能够诱导胚乳的单倍体发育。

在单步法中，研究团队将所有相关基因编辑和转基因组件整合到一个T-DNA载体中，直接引入到高粱杂交种中。这种方法减少了基因编辑和转基因的步骤，但同时也可能增加基因表达的复杂性，从而影响无融合生殖的效率。

#### 实验结果与分析

通过两步法和单步法的实验，研究团队成功诱导了高粱的无融合生殖。在两步法中，对Tx623/Tx430杂交种的实验显示，经过基因编辑和转基因处理后，高粱能够形成二倍体的种子，并且这些种子在多个世代中保持了杂交种的基因型。然而，种子产量相对于有性杂交种有所下降，这可能与基因编辑的剂量和位置有关。

在单步法中，对Tx623/Macia杂交种的实验也显示了类似的成果。虽然基因编辑和转基因的整合提高了实验效率，但种子产量和质量仍然低于有性杂交种。研究团队发现，基因编辑的剂量是影响种子产量的重要因素。在某些情况下，完全敲除所有四个OsdL基因会导致种子产量显著下降，而保留一个功能性等位基因则有助于提高种子产量。

此外，研究还发现，某些转基因事件会导致染色体异常，如非整倍体（aneuploidy）。这些异常可能影响种子的发育和萌发率，因此，优化基因编辑和转基因的表达模式是提高无融合生殖效率的关键。

#### 讨论：无融合生殖的前景与挑战

尽管本研究在高粱中成功诱导了无融合生殖，但仍然存在一些挑战。首先，种子产量和质量需要进一步优化，以达到商业化的标准。其次，基因编辑和转基因的表达模式需要更加精确，以减少非整倍体的发生。此外，不同基因的剂量和位置可能对无融合生殖的效率产生影响，因此，需要进一步研究这些因素的作用。

研究还发现，不同基因编辑策略对无融合生殖的影响不同。例如，完全敲除OsdL基因会导致种子产量显著下降，而保留一个功能性等位基因则有助于提高种子产量。这表明，基因剂量的调控在无融合生殖中具有重要作用。

此外，研究团队还探讨了基因编辑和转基因的协同作用。在某些情况下，结合减数分裂的回避和胚乳的单倍体发育能够显著提高无融合生殖的效率。然而，在其他情况下，基因编辑和转基因的独立作用可能产生不同的结果。因此，需要进一步研究这些基因之间的相互作用，以优化无融合生殖的诱导过程。

#### 未来展望

无融合生殖的引入为高粱的杂交种生产提供了新的可能性。然而，要实现商业化应用，还需要进一步的优化。例如，提高种子产量和质量，减少非整倍体的发生，以及确保基因编辑和转基因的稳定性。此外，还需要探索其他可能的基因和调控元件，以提高无融合生殖的效率。

在农业应用方面，无融合生殖可以显著降低杂交种的生产成本，并使小农户能够保存和播种杂交种。这对于资源有限的地区尤为重要，因为杂交种通常需要较高的生产成本和复杂的育种技术。通过无融合生殖，这些地区的小农户可以获得高质量的杂交种，从而提高作物产量和抗逆性。

#### 结论

本研究首次在高粱杂交种中成功诱导了合成无融合生殖，并展示了这种技术的潜力。尽管种子产量和质量仍有待提高，但研究结果表明，无融合生殖在高粱中是可行的。通过优化基因编辑和转基因的策略，可以进一步提高无融合生殖的效率，使其在农业实践中发挥更大的作用。未来的研究需要关注如何提高种子产量和质量，以及如何减少非整倍体的发生，以实现高粱无融合生殖的商业化应用。