OsBBM1介导的高频合成无融合生殖在杂交水稻中呈现环境敏感性遗传不稳定性

《Frontiers in Plant Science》：High-frequency synthetic apomixis by OsBBM1 shows environmentally sensitive inheritance instability in hybrid rice

本综述系统阐述了OsBBM1介导的合成无融合生殖系统在杂交水稻中的多代稳定性表现。研究发现，在海南三亚与湖南长沙两地栽培条件下，7个无融合生殖株系保持稳定克隆后代，而HW10株系呈现渐进式诱导率下降，HW14和CL6株系则表现出栽培地点相关的高低诱导率交替现象。通过温度处理实验证实，开花期高温（35°C）可通过调控OsBBM1表达影响单性生殖效率，同时转基因沉默也是诱导率下降的重要因素。该研究为合成无融合生殖的基础生物学研究和商业化应用提供了关键环境优化依据。

　　

引言

杂种优势作为现代作物育种的核心现象，显著提升了杂交后代在生长活力、抗逆性和产量潜力等方面的表现。然而杂交后代性状的孟德尔遗传分离特性，迫使农业生产必须连年进行昂贵的F₁代杂交种子生产。合成无融合生殖通过种子实现无性繁殖，为固定优良F₁代基因型提供了革命性解决方案。近年来，水稻合成无融合生殖研究取得突破性进展，Khanday等通过MiMe（有丝分裂替代减数分裂）系统与卵细胞特异性表达OsBBM1的协同组合，首次实现了29.2%的克隆种子形成率。随后Vernet团队利用OsECA1启动子精确调控OsBBM1表达，结合MiMe系统将克隆种子诱导率提升至95%以上。尽管多项研究证实了工程化无融合生殖在多代传递中的稳定性，但本团队前期研究发现个别无融合生殖株系存在意外的跨代遗传变异，暗示其调控机制仍需深入解析。

材料与方法

本研究以生育期120天的籼粳杂交稻甬优4949为转化受体，对10个高频无融合生殖株系（5个p94C株系和5个p95C株系）进行连续三代（T₀-T₃）的跨地域培育。p94C载体构建为sgMiMe_pAtDD45:BBM1，p95C则为sgMiMe_pAtMYB98_pAtDD1_pOsECA1-like1:WUS_pAtDD45:BBM1。实验在海南三亚和湖南长沙的转基因基地同步进行，通过流式细胞术检测后代植株倍性水平，统计克隆种子诱导率和结实率。针对温度敏感性分析，选取稳定株系（HW7、CL10）和不稳定株系（HW14、CL6）在抽穗初期置于人工气候室（28°C/24°C与35°C/30°C）培养至成熟，采用RT-qPCR技术检测OsBBM1表达水平。

结果

世代交替中二倍体性状的跳跃式变异

多代倍性鉴定显示，p94C来源的HW7、HW11、HW16和p95C来源的CL10、CL11、CL12、CL13等7个株系在三代中保持稳定的二倍体诱导率。而HW10株系呈现渐进式下降（T₀代84.62%→T₂代6.16%），HW14株系在T₀-T₁代保持高诱导率（87.18%-90.08%），T₂代骤降至18.14%。p95C来源的CL6株系诱导率从T₀代80%急剧下降至T₁代15.87%。值得注意的是，所有诱导率下降的世代均与长沙栽培条件相关，而三亚条件下可恢复高诱导水平。形态学观察证实无融合生殖材料在不同世代均保持克隆形态完整性，与自交F₂代杂交种的分离表型形成鲜明对比。

环境因素对无融合生殖性状稳定性的调控

通过系统追溯HW14和CL6株系的栽培历史，发现当亲本世代在长沙温室栽培后，其子代在三亚和长沙两地的诱导率均保持高位（87.18%-95.45%）。而当亲本在长沙大田栽培后，子代在两地的诱导率均显著降低（35%-31.25%）。这种可重复的模式表明，长沙夏季栽培条件可诱导无融合生殖能力的跨代抑制，而三亚冬季条件则能恢复高诱导水平。气象数据分析显示，长沙花期平均温度（28.7°C）显著高于三亚（22.3°C），且温度波动更为剧烈，提示温度可能是调控无融合生殖性状表观遗传修饰的关键环境因子。

无融合生殖材料对温度波动的敏感性

人工气候室控温实验表明，四个株系在28°C处理下的结实率均显著高于35°C处理。流式细胞术分析发现，与海南大田条件相比，28°C和35°C处理均导致诱导率下降。稳定遗传株系HW7和CL10在两种温度下仍保持较高诱导率（73.45%-80.74%），而不稳定株系HW14和CL6的诱导率骤降至7.83%-25.00%。卵巢组织RT-qPCR检测显示，35°C处理下所有株系的OsBBM1表达量均高于28°C处理，表明OsBBM1表达具有温度响应特性。这一发现与高温降低无融合生殖效率的初始假设相悖，可能源于高温条件下卵细胞特异性启动子的特异性降低，导致OsBBM1在非目标组织表达增强。

多代栽培中结实率的相对稳定性

所有无融合生殖株系的结实率均显著低于野生型对照（94.39%）。三亚条件下，HW10株系的结实率随世代递增（60.84%→79.62%），HW11株系保持稳定（70.03%-73.10%），而HW7株系虽具高诱导率（90.23%-100%），但结实率持续偏低（33.24%-38.96%）。长沙试验进一步证实结实率普遍低于三亚，其中HW10-T₃代最高为65.79%，HW11表现最佳综合性状（48.73%-53.15%）。总体而言，具有稳定诱导率的株系在结实率方面也表现更稳定，这为选育双高性状品系提供了依据。

讨论

本研究通过p94C和p95C载体的递进式优化，系统推进了杂交水稻合成无融合生殖体系的发展。多环境评价揭示了两种不稳定性模式：HW14和CL6株系的地理敏感性波动与栽培地点轮作直接相关，而HW10株系的渐进式T₃代沉默则提示转基因失活现象。温度敏感性机制可能涉及转录后调控，如WUS mRNA的热不稳定性源于高温对5'端m7G加帽活动的抑制，以及翻译调节因子AET1与OsARF mRNA结合模式的热扰动。而HW10株系的渐进式下降更可能源于转基因沉默机制，包括位置效应、多拷贝插入引发的同源依赖性沉默、DNA甲基化/组蛋白修饰等表观遗传调控，以及siRNA/miRNA介导的mRNA降解途径。

与既往报道的稳定遗传模式不同，本研究首次揭示了OsBBM1介导的无融合生殖系统存在转基因功能不稳定性。这一发现要求后续研究必须通过扩展的多环境世代试验进行全面稳定性验证，为无融合生殖水稻的基础研究和商业应用建立关键质量控制标准。外源OsBBM1表达的不稳定性警示我们必须将世代稳定性监测纳入无融合生殖育种程序的必要环节，从而重塑这一革命性农业技术的评价框架。