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CRISPR 改造的杂交水稻来了:高产、抗病,还支持无性繁殖!

2018-12-15
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2018 年 12 月,加利福尼亚大学戴维斯分校的植物生物学家发现一种通过无性繁殖克隆种子的方法,解决了杂交植物的留种繁殖问题。这一发现长期以来一直受到植物育种者和遗传学家的追捧,对全球农业具有重大意义。

 

它可以使世界上最贫穷的农民更容易种植高产、抗病或耐气候的作物,并能够轻松保留杂交植物的克隆种子以备将来使用。

 

这项研究成果于 12 月 12 日在 Nature 杂志上发表。


视频 | 无性系繁殖的水稻将成为农业上的一大突破(视频来源:UC DAVIS)


自 20 世纪 20 年代以来,杂交农作物越来越普遍。杂交农作物无论株高、茎叶、根系和籽粒,以及在抗旱耐涝、抗病虫害和抗倒伏能力、光合作用强度等方面,都比亲本优越得多,因而产量也就大幅度提高,这些优越性的表现,便是一般所讲的杂种优势。

 

但是,美中不足的是,杂交农作物的种子并不能长出具有相同优良性状的作物。如果将杂交种第一代种植收获后留种,来年继续种植,产生的杂交种第二代,往往会出现性状分离,表现为:植株高矮不齐,果穗大小不一致,成熟早晚也不一致,杂种优势显着减弱,产量也大大降低。

 

所以种植的杂交农作物不能留种,对于农民来说,每年都需要专门购买杂交作物的种子。

 

实现能够保持杂交植物优良性状的克隆种子,将是世界农业的重大突破。农民可以从他们自己的杂交植物中收获种子,不必每年购买昂贵的杂交种子,并且不影响获得高产的好处。

 

“这是一个非常理想的目标,可以改变农业。”加州大学戴维斯分校植物生物学教授 Venkatesan Sundaresan 说。自然界大约有 400 种野生植物可以在没有受精的情况下产生种子。这种称为单性生殖的过程,在植物界比较常见,但在经济作物中却不存在这种现象。

 

加州大学戴维斯分校的博士后研究员 Imtiyaz Khanday 及其同事,向前迈出了重要一步。他们发现通过修改两组基因,可以实现杂交水稻克隆出单性种子。

 

首先,研究小组发现,在植物受精卵中,精子中的一种名为 BABY BOOM1 的基因引发了种子胚胎的发育。


图 | Imtiyaz Khanday(左),Venkatesan Sundaresan(右)(来源:KARIN HIGGINS/UC DAVIS)

 

因此,科学家们尝试对水稻进行基因编辑,使用 CRISPR / Cas9 基因编辑工具对水稻减数分裂至关重要的三个基因进行修改,使卵母细胞不进行减数分裂,直接产生包含完整染色体的“卵细胞”。然后,研究人员使包含完整染色体的“卵细胞”也表达 BABY BOOM1 基因。结果发现,不需要经过受精作用,改造后的细胞可以直接发育成胚胎。

 

“所以我们有一个能够制造胚胎的二倍体卵细胞,它会长成克隆种子。”Sundaresan 说。

 

到目前为止,该过程的成功率约为 30%,但研究人员希望通过更多研究可以提高效率。Sundaresan 说,这种方法应该适用于具有相同 BBM1 基因的其他谷类作物,以及其他植物。

 

研究人员表示,他们创造出的克隆种子,其原始的杂交遗传完好无损,这些种子萌芽成植物,也可以克隆自己,下一代也是如此。

 

澳大利亚联邦科学与工业研究组织 Anna Koltunow 没有参与这项研究,但他表示,该研究标志着克隆杂交谷物的重要一步,研究清晰地表明,人们可以重新设计水稻,将其从有性模式转变为无性模式。

 

-End-

 

参考:

https://www.sciencenews.org/article/hybrid-rice-engineered-crispr-can-clone-its-seeds

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181212134359.htm

 

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