研究人員開發出能夠培育基因相同的雜交植物的技術

當一種植物的不同品種相互雜交時，它們的雜交後代通常比它們的親代更健壯，生長得更快。然而，到了下一代，這種效應又消失了。

新方法可以長期保留此類雜交植物的優勢品質，並有意識地設計具有四組染色體而不是兩組染色體的植物。這些技術將使培育特別高產量和抗病的作物變得更加容易，即使在氣候危機時期也能養活不斷增長的全球人口。

早在1759 年，也就是奧地利奧古斯丁修道士格雷戈爾·約翰·孟德爾(Gregor Johann Mendel) 發表豌豆遺傳著作一百多年前，科學家們就已經在思考植物如何將其性狀傳遞給後代的問題。

那一年，俄羅斯科學院在聖彼得堡舉辦了一場競賽。設定的任務是證明植物也具有性。

獲勝者是約瑟夫·戈特利布·科爾路特 (Joseph Gottlieb Kölreuter)，他是來自內卡河畔蘇爾茨的藥劑師的兒子。科爾路特後來成為卡爾斯魯厄的自然歷史教授，他對兩種近交煙草植物進行了雜交，並在這樣做時注意到，每個親本特有的性狀在雜交後的下一代中都存在。

他得出的結論是，它們是從親本植物以同等程度傳遞的。此外，雜交產生的第一代植物看起來是一樣的——孟德爾在他的均勻性原理中也闡述了這一發現。但植物學家也注意到了其他事情：後代比他們的父母更茁壯成長。

因此，250 多年前，Kölreuter 發現了所謂的雜種優勢效應，也稱為雜種優勢。當第一代雜交種（源自相同或密切相關物種的兩個近交品種的故意雜交）在活力和生長方面優於其親本時，就會發生這種情況。

這種現像是如何發生的尚未最終闡明。儘管如此，現代農業的這種效果還是要歸功於玉米、油菜籽、水稻、黑麥和許多其他作物的高性能雜交品種的種植。

雜種優勢效應不會持續

從表面上看，雜交作物品種比近交品種生長得更快，對非生物和生物脅迫的抵抗力更強。例如，雜交玉米的產量提高了 30%。但有一個問題：雜種優勢效應不會持久。第一代後代經由雜交獲得的產量增加被第二代後代所喪失。植物也失去了外觀的一致性。

原因在於有性生殖的過程：在形成生殖細胞（即卵細胞和花粉）所必需的減數分裂細胞分裂過程中，生殖細胞的遺傳物質被混合或重組？株與它們的親代完全相同。透過這種方式，減數分裂增強在植物和動物中。

然而，如果雜種可以無性繁殖，即透過種子克隆，它們就可以將其完整的遺傳物質及其有利性狀準確地傳遞給下一代。這將大大降低與雜交種子生產相關的成本，並可能導致開發比目前可用的更多的雜交品種。

馬克斯普朗克植物育種研究所染色體生物學系主任 Raphaël Mercier 和 Mercier 系研究組組長 Charles Underwood 致力於實現這一目標。

兩位科學家展示了他們在研究所溫室中生產雜交種子的進展，除了擬南芥（一種不起眼的野生草本植物，科學家們已經獲得了基本見解）外，溫室中還種植大麥、馬鈴薯和西紅柿。

為此，他們必須確保滿足兩個先決條件。首先，母本植物的全部遺傳物質必須保存在雌配子中，只有在基因混合的減數分裂細胞分裂不像往常一樣發生並產生剋隆卵細胞的情況下，這才有可能。

接下來，新植物必須從克隆卵細胞發育而來，而無需雄配子受精，因為如果沒有減數分裂，染色體數量不會減半。因此，如果花粉細胞要讓這種卵細胞受精，那麼它就會有太多染色體。

「因此，我們需要克服兩個障礙：減數分裂和受精。只有這樣，我們才能生產出彼此以及與母本植物基因相同的種子。有了這種克隆雜交種子，雜交狀態就可以實現。」因此幾乎無限期地延長，」Mercier 解釋道。

減數分裂基因

Mercier 於 2009 年在法國凡爾賽-薩克雷 INRA Jean-Pierre Bourgin 研究所開始了他的研究。 “直到今天，我想找出哪些基因參與減數分裂細胞分裂以及卵細胞和花粉細胞的發育。從根本上講，我想知道這些過程是如何運作的。”

在擬南芥中，他發現了三個控制減數分裂重要過程的基因，並使減數分裂不同於有絲分裂，即細胞分裂成兩個相同的子細胞。當梅西耶同時滅活這三個基因時，減數分裂恢復為有絲分裂，植物形成複製生殖細胞。

因此，卵細胞的遺傳物質和染色體數量與母體植物相同。因此梅西耶發現了一個繞過減數分裂的過程。

2016年，法國國際發展農業研究中心CIRAD的Mercier和Emmanuel Guiderdoni將此稱為MiMe（有絲分裂而非減數分裂）的過程應用於水稻，從而首次應用於農作物。

除玉米和小麥外，稻米是世界上最重要的穀類作物之一，是全球 90% 人口的主食。這三個基因在演化過程中被保守並控制減數分裂和米飯。結果表明，即使沒有這些基因，水稻中也會形成與母株基因相同的卵細胞。

2019 年，來自加州大學戴維斯分校的 Mercier 和 Venkatesan Sundaresan 攻克了第二個障礙。透過活化卵細胞中的 BBM1 基因（該基因僅在花粉和胚胎中活躍），可以在不受精的情況下觸發胚胎的發育。

BBM1 是一種觸發胚胎發生的轉錄因子。它在卵細胞與花粉細胞受精後的細胞中變得活躍。因此，證明了作物透過種子進行克隆繁殖的可行性。但該過程尚未準備好付諸實踐。

「與有性繁殖的水稻相比，這些植物產生的種子仍然少了 30%。當然，這是一個問題，因為這意味著我們收穫種子的作物產量會減少 30%。但我相信這可以會在不久的將來得到解決。

研究人員現在嘗試 MiMe 技術的另一種作物是番茄，它是世界第一大蔬菜作物。在其他番茄中，科學家在他們的研究中使用了棗子番茄和藤番茄——這些雜交品種也可以在超市買到。

除了建立 MiMe 系統之外，Charles Underwood 和他的團隊還以另一種方式應用它。首先，他們在不同的雜交番茄植株中建立了 MiMe，以產生剋隆性細胞。一株植物的克隆卵與另一株植物的克隆精子受精，產生了含有父母雙方完整遺傳訊息的植物。

這種被稱為「多倍體基因組設計」的方法使安德伍德和他的團隊能夠設計出具有四重染色體組而不是兩重染色體的植物。在這些番茄植株中觀察到的多倍體與在小麥、油菜、香蕉和馬鈴薯等許多其他栽培作物中觀察到的多倍體相似。這裡的區別在於多倍體是由 MiMe 過程誘導的。 「結果是一種超級混合體，」安德伍德說。

抗病馬鈴薯品種

這位科學家站在一個 LED 照明的溫室前，溫室裡種滿了番茄植物，他指著右前方的植物，它的果實特別大。 「這種植物有四組染色體，因此它攜帶了兩種親本植物的完整遺傳物質。據我們所知，這是第一次來自兩個不同親本的克隆性細胞在任何植物或動物中融合確保從父母雙方獲得完整的遺產。

與「超級雜交」相鄰的是一種結出小得多的果實但非常健壯的植物。 「這是 MiMe 番茄雜交種與番茄野生近緣種 Solanum pennellii 雜交的結果。這種野生品種來自南美洲的貧瘠地區，特別能抵抗炎熱、乾旱和鹽鹼土壤。這種脅迫的基因這種雜交植物現在也具有耐受性，」安德伍德說。

這也解釋了為什麼果實較小：大果實實際上根本不存在於自然界中，而是人類數萬年人工選擇的結果。雜交番茄是 Underwood 和他的同事利用 MiMe 開發新育種系統的努力的一部分，該系統可以充分利用作物野生近緣種的抗逆性。

MiMe 方法的另一個候選對像是馬鈴薯。馬鈴薯和西紅柿可能看起來很不同，但植物本身密切相關。它們都屬於茄屬植物，而且實際上屬於同一屬。

「當今的許多品種已經非常古老了？例如，『Russet Burbank』品種在美國已經種植了一個多世紀。迫切需要加快開發能夠耐受病害的抗病馬鈴薯品種。」夏季氣候日益變化，因為馬鈴薯仍然是我們最重要的農作物之一，」安德伍德說。

馬鈴薯種植中出現的問題之一是疾病。例如，引起馬鈴薯枯萎病的病原體會損害植物的地面部分和地下塊莖。如果病原體在生長階段攻擊馬鈴薯植株，則會導致產量大幅損失。

十九世紀中葉的愛爾蘭，真菌病導致了毀滅性的飢荒。與野生番茄一樣，來自野生馬鈴薯品種的遺傳物質可以使其家養近緣種更具抵抗力。 「MiMe 可以讓我們培育出更能抵抗馬鈴薯枯萎病的品種，但同時又具有馬鈴薯的常見特徵。這有助於減少向植物噴灑殺蟲劑的需要，」安德伍德說。

對於 Raphaël Mercier 來說，MiMe 雜交馬鈴薯品種也具有巨大的潛力，部分原因是收穫的不是種子或果實，而是地下的塊莖。 “因此，MiMe 雜交馬鈴薯不會形成那麼多種子，這一事實並不像水稻那樣重要，因為這不會對產量產生負面影響。”

嚴格的基因工程法阻礙 MiMe 技術

然而，這項技術的應用存在一個障礙——即歐盟對基改作物的嚴格規定。這些限制了 MiMe 等基於基因組編輯（即基因的定向改變或失活）的技術。

「歐盟應該效仿美國和英國的榜樣，讓培育基因組編輯植物變得更加容易。最終，我們需要提高未來的糧食生產效率，以便在極端天氣更加頻繁的情況下養活不斷增長的全球人口。在這裡，透過基因剪刀培育出更高產量、更健壯的雜交品種可以做出貢獻，」Mercier 說。

因此，其他研究人員也呼籲歐盟制定現代化的基因技術立法，考慮新技術和新發現，因為現有立法已有 20 多年的歷史。歐洲議會於今年年初批准了歐盟委員會的一項立法提案，該提案將促進基因組編輯植物的批准。現在歐盟成員國必須就立法文本的最終版本達成協議。

因此，政治家將決定有一天這些植物是否會在歐洲的田地生長。但歸根結底，這取決於消費者是否願意在他們的盤子上看到基因組編輯的產品。也許這個決定可能是受到這樣一個事實的影響：MiMe 技術並不像乍看那麼不自然。

蒲公英和其他植物，例如各種黑莓和草，在自然界中完全繁殖，無需雌性減數分裂或卵細胞受精。顯然，每年春天草地上出現的黃色蒲公英地毯就證明了這種繁殖方式的運作良好。