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[转载]Plant Com | 利用水稻内源基因建立新的正常结实率无融合生殖体系
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OsWUS-driven synthetic apomixis in hybrid rice 20240919.pdf
Abstract
摘 要
2024年9月19日，中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室王克剑团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士团队合作在Plant Communications上发表了题为“OsWUS-driven synthetic apomixis in hybrid rice”的文章。该研究成功利用水稻内源基因OsWUS，构建了新的结实率完全正常的无融合生殖体系。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101136
研究背景
杂交水稻的培育和推广在提升我国粮食产量和保障粮食安全方面发挥着至关重要的作用。然而，由于遗传重组和性状分离，杂交水稻无法像常规水稻那样进行留种使用。这导致育种家和种子企业每年需投入大量人力物力进行繁琐的杂交制种工作，农民也必须年年重新购买新种子。无融合生殖作为一种通过种子进行克隆繁殖的无性生殖方式，能够固定杂种优势，解决杂交水稻无法留种的问题。2019年，王克剑团队首次在杂交水稻中建立了无融合生殖体系Fix（Fixation of hybrids），成功获得了杂交水稻的克隆种子，实现了杂交水稻无融合生殖从0到1的原始突破（Wang et al., 2019）。然而，Fix体系存在结实率低和克隆种子效率低的问题，限制了其实际应用。为克服Fix体系的不足，团队深入挖掘并成功筛选出新的内源基因OsBBM4，在此基础上建立了结实率完全正常的无融合生殖体系Fix2（Fixation of hybrids 2）（Wei et al., 2023），成功解决了无融合生殖杂交水稻结实率低的问题，但Fix2体系在克隆种子诱导效率方面仍有待进一步提升，亟需新的技术突破。研究内容
在前期建立的无融合生殖系统中，诱导孤雌生殖的基因均首先在具有无融合生殖能力的植物中被发现。例如，BBM基因最初在非洲狼尾草中被发现（Conner et al., 2015），而PAR基因则在无融合生殖的蒲公英中被鉴定（Underwood et al., 2022）。本研究首次发现水稻内源基因OsWUS能够被调控诱导无融合生殖，实现克隆种子的生产，同时不影响水稻的结实率。OsWUS即MOC3基因，前期李家洋团队研究表明：MOC3在调控分蘖芽的形成和发育中发挥至关重要的作用，其突变会导致分蘖芽形成受阻，表现出分蘖数显著减少的表型（Lu et al., 2015; Shao et al., 2019）。此外，过表达WUS基因能够在拟南芥等植物中促进体细胞胚的产生和芽再生（Zuo et al., 2002）。研究团队首先构建了由拟南芥卵细胞特异性启动子pAtDD45驱动OsWUS的异位表达载体，并将其转入杂交水稻春优84（CY84）中。单独转化OsWUS过程中出现了植株再生困难、转化植株表现矮化及不育等表型；进一步通过异位表达OsWUS结合MiMe策略（将减数分裂转变为类似有丝分裂），成功获得生长发育正常的Fix3（Fixation of hybrids 3）材料。研究团队通过共聚焦显微镜观察发现，约20%的去雄Fix3植株胚珠中出现了不依赖受精的胚胎发育现象，表明卵细胞特异性表达OsWUS能够部分替代受精过程，诱导孤雌生殖。此外，Fix3株系表现出与野生型杂交水稻相似的农艺性状，不仅保持了完全正常的结实率，而且呈现了较高的克隆种子效率，部分株系的克隆效率达到21.7%左右。进一步的表型观察发现，这些克隆植株后代的表型与野生型杂交水稻高度相似，同时也保持了正常结实率。基于OsWUS基因构建的Fix3无融合生殖系统不仅保持了正常的结实率，还在不同株系中表现出不同的克隆种子效率，显著高于基于OsBBM4系统建立的Fix2无融合生殖系统，展现出更大的应用潜力。然而，与基于OsBBM1（Khanday et al., 2019; Vernet et al., 2022）和蒲公英PAR基因（Song et al., 2024）建立的无融合生殖系统相比，目前基于OsWUS的无融合生殖系统的克隆效率仍有待进一步提升，未来可通过挖掘更多水稻内源的卵细胞特异性启动子，或者聚合更多不影响结实率的内源基因，有望在保持正常结实率的基础上，进一步提升克隆种子效率。此外，由于多种作物中存在OsWUS的同源基因，理论上该系统可推广至其他杂交作物中，推动更广泛的杂种优势利用。作者简介
中国水稻研究所的黄勇助理研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所的孟祥兵高级工程师、浙江师范大学的饶玉春教授为该论文的共同第一作者，中国水稻研究所王克剑研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士为该论文的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划、海南省种业实验室和崖州湾国家实验室基础研究基金等项目的支持。参考文献
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