【The Plant Cell】油菜团队在多倍体无融合生殖研究中取得突破：两基因编辑即可高效产生克隆配子

　　

南湖新闻网讯（通讯员 耿苗维）近日，华中农业大学植物科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心杨超教授课题组在The Plant Cell发表题为：Establishing a two-gene MiMe to produce clonal gametes in allotetraploid Brassica napus的研究论文，在多倍体作物无融合生殖领域取得突破。研究团队首次在异源四倍体油菜中建立了简化版 MiMe（Mitosis instead of Meiosis）体系，仅通过编辑两个减数分裂关键基因，即可将减数分裂转化为类似有丝分裂的过程，高效产生遗传组成与母本一致的“克隆配子”，并成功固定杂交后代的全基因组杂合性。该发现突破了二倍体植物中经典 MiMe 体系依赖“三基因突变”的技术框架，为多倍体作物无融合生殖体系的创制提供了核心技术。

作物杂种优势被广泛应用于农业生产，为世界粮食安全做出了重要贡献。 如水稻、玉米、油菜等都是杂种优势非常强的作物。然而，由于来自父本和母本的染色体在减数分裂过程中会发生遗传交换和随机组合，自交后代不能维持杂种F₁代的杂合基因型，导致杂种优势无法稳定遗传，后代发生性状分离，产量和品质无法得到保障。因此，杂交种每年都需要人工制种。不管是“三系法”还是“两系法”制种方式，其过程都较为复杂，耗费巨大，制约了杂交种在世界范围内的广泛种植。

无融合生殖（Apomixis）是在一些植物中存在的一种特殊的生殖方式，不需经过减数分裂和受精过程就可以产生种子或胚，因此后代与母本基因型保持一致。目前已在超过400 种植物中发现了无融合生殖现象，却没有任何农作物中存在这种现象。构建作物无融合生殖体系固定杂种优势来实现杂种的自我克隆繁殖对农业生产具有革命性的意义。目前，水稻是世界上唯一突破人工创制无融合生殖固定杂种优势的作物 (Wang et al., 2019; Khanday et al., 2019)。

当前，基于配子体无融合生殖策略固定杂种优势的方式在作物中具有较高实现的可行性。该策略包含两个核心步骤:(1)修饰减数分裂产生克隆配子;(2)诱导孤雌生殖诱导，使雌性克隆配子(卵细胞)不受精(或受精后父本染色体消除)直接发育成胚。

此前，在拟南芥、水稻、番茄等二倍体植物中，科学家必须同时敲除 SPO11-1（水稻中利用PAIR1）、REC8 和 OSD1/TAM 三个减数分裂关键基因，才能实现克隆配子的生产（图1）。然而，对于油菜、小麦、棉花等多倍体作物而言，由于每个基因往往具有多个功能冗余拷贝，同时实现三基因突变极具挑战，成为制约多倍体作物无融合生殖创制的重要重要瓶颈。

图1：二倍体植物中“三基因MiMe” (Underwood & Mercier, 2022)

意外发现：油菜中“两基因”突变已经足够产生克隆配子。研究团队利用 CRISPR/Cas9 技术，在异源四倍体油菜中系统解析 SPO11-1、REC8 与 OSD1 的功能。研究人员发现：仅同时突变 SPO11-1 和 REC8 两个基因，就足以使油菜减数分裂转变为类似有丝分裂的过程，而此前被认为不可缺少的 OSD1/TAM，在油菜中并不需要，并发现油菜中OSD1突变并不能跳过减数第二次分裂。细胞学观察显示，在spo11-1 rec8双突变体中，姐妹染色单体经减数第一次分裂分离后便直接结束分裂过程，不再进入减数第二次分裂，最终形成遗传组成与母本一致的未减数克隆配子（图2）。该简化版MiMe体系产生的克隆花粉存活率超过95%。这意味着油菜能够以更少的遗传改造，实现高效率的“克隆生殖”。

图2：spo11-1 rec8双突变体消除重组并跳过减数第二次分裂

在油菜中实现杂合基因型的稳定遗传：为了验证该体系的应用潜力，研究团队进一步在油菜杂交F1材料中构建“两基因 MiMe”体系。结果表明：超过90%的配子为未减数克隆配子；后代植株保持完整杂合状态，群体表型一致；全基因组重测序显示，后代未检测到重组交换（图3）。

图3：油菜杂种F1中突变SPO11-1/MTOPVIB和REC8产生克隆配子，固定杂合基因型

目前，研究团队正进一步结合孤雌生殖/单倍体诱导技术，构建油菜的无融合生殖体系，实现油菜杂种优势的固定。由于小麦、棉花等重要粮棉作物同样属于异源多倍体作物，这一“两基因 MiMe”体系有望成为未来多倍体作物无融合生殖育种的核心技术。

此外，本研究暗示了多倍体减数分裂调控与二倍体的显著差异。在拟南芥和水稻中，只有额外缺失 OSD1，减数分裂才能跳过第二次分裂；而在油菜这一异源四倍体作物中，仅破坏 SPO11-1 和 REC8 即可终止减数分裂程序，暗示多倍体植物可能存在不同于二倍体植物的减数分裂调控机制。一方面，多倍体复杂基因组组成可能改变了减数分裂细胞周期调控网络；另一方面，高染色体数目和特殊细胞周期检查点机制，也可能使油菜在重组丧失与姐妹染色单体提前分离的情况下，自动退出减数分裂程序。这一发现为理解多倍体植物如何维持染色体稳定性与生殖平衡，提供了新的理论视角。

华中农业大学植物科学技术学院博士研究生耿苗维和博士后初壘为论文的共同第一作者，华中农业大学植物科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心杨超教授为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家资助博士后计划等项目资助。

杨超课题组长期从事植物减数分裂调控和染色体重组操纵技术开发，近五年在Nature Plants、Science Advances、Advanced Science、The Plant Cell、Nucleic Acids Research等发表多篇研究论文。课题组主要以甘蓝型油菜为模式，致力于理解多倍体植物减数分裂中染色体互作规律和调控机制，揭示多倍体减数分裂稳定适应的演化机制，构建多倍体作物无融合生殖体系，开发染色体重组调节技术，推动重组操纵作为育种底盘技术应用于作物种质创新和品种培育。

审核人：杨超

论文链接:

https://academic.oup.com/plcell/advance-article-abstract/doi/10.1093/plcell/koag145/8684124?utm_source=authortollfreelink&utm_campaign=plcell&utm_medium=email