研究人员开发出能够培育基因相同的杂交植物的技术

当一种植物的不同品种相互杂交时，它们的杂交后代通常比它们的亲本更健壮，生长得更快。然而，到了下一代，这种效应又消失了。

新方法可以长期保留此类杂交植物的优势品质，并有意识地设计具有四组染色体而不是两组染色体的植物。这些技术将使培育特别高产和抗病的作物变得更加容易，即使在气候危机时期也可以养活不断增长的全球人口。

早在 1759 年，也就是奥地利奥古斯丁修道士格雷戈尔·约翰·孟德尔 (Gregor Johann Mendel) 发表豌豆遗传著作一百多年前，科学家们就已经在思考植物如何将其性状传递给后代的问题。

那一年，俄罗斯科学院在圣彼得堡举办了一场竞赛。设定的任务是证明植物也具有性。

获胜者是约瑟夫·戈特利布·科尔路特 (Joseph Gottlieb Kölreuter)，他是来自内卡河畔苏尔茨的药剂师的儿子。科尔路特后来成为卡尔斯鲁厄的自然历史教授，他对两种近交烟草植物进行了杂交，并在这样做时注意到，每个亲本特有的性状在杂交后的下一代中都存在。

他得出的结论是，它们是从亲本植物以同等程度传递的。此外，杂交产生的第一代植物看起来是一样的——孟德尔在他的均匀性原理中也阐述了这一发现。但植物学家还注意到了其他事情：后代比他们的父母更茁壮成长。

因此，250 多年前，Kölreuter 发现了所谓的杂种优势效应，也称为杂种优势。当第一代杂交种（源自相同或密切相关物种的两个近交品种的故意杂交）在活力和生长方面优于其亲本时，就会发生这种情况。

这种现象是如何发生的尚未最终阐明。尽管如此，现代农业的这种效果还是要归功于玉米、油菜籽、水稻、黑麦和许多其他作物的高性能杂交品种的种植。

杂种优势效应不会持续

从表面上看，杂交作物品种比近交品种生长得更快，对非生物和生物胁迫的抵抗力更强。例如，杂交玉米的产量提高了 30%。但有一个问题：杂种优势效应不会持久。第一代后代通过杂交获得的产量增加被第二代后代所丧失。植物也失去了外观的一致性。

其原因在于有性生殖的过程：在形成生殖细胞（即卵细胞和花粉）所必需的减数分裂细胞分裂过程中，生殖细胞的遗传物质被混合或重组？所以在下一篇中一代植物中没有一株与它们的亲本完全相同。通过这种方式，减数分裂增强在植物和动物中。

然而，如果杂种可以无性繁殖，即通过种子克隆，它们就可以将其完整的遗传物质及其有利性状准确地传递给下一代。这将大大降低与杂交种子生产相关的成本，并可能导致开发出比目前可用的更多的杂交品种。

马克斯·普朗克植物育种研究所染色体生物学系主任 Raphaël Mercier 和 Mercier 系研究组组长 Charles Underwood 致力于实现这一目标。

两位科学家展示了他们在研究所温室中生产杂交种子的进展，除了拟南芥（一种不起眼的野生草本植物，科学家们已经获得了基本见解）外，温室中还种植大麦、土豆和西红柿。

为此，他们必须确保满足两个先决条件。首先，母本植物的全部遗传物质必须保存在雌配子中，只有在基因混合的减数分裂细胞分裂不像往常一样发生并产生克隆卵细胞的情况下，这才有可能。

接下来，新植物必须从克隆卵细胞发育而来，而无需雄配子受精，因为如果没有减数分裂，染色体数量不会减半。因此，如果花粉细胞要使这种卵细胞受精，那么它就会有太多染色体。

“因此，我们需要克服两个障碍：减数分裂和受精。只有这样，我们才能生产出彼此以及与母本植物基因相同的种子。有了这种克隆杂交种子，杂交状态就可以实现。”因此几乎无限期地延长，”Mercier 解释道。

减数分裂基因

Mercier 于 2009 年在法国凡尔赛-萨克雷 INRA Jean-Pierre Bourgin 研究所开始了他的研究。 “直到今天，我想找出哪些基因参与减数分裂细胞分裂以及卵细胞和花粉细胞的发育。从根本上讲，我想知道这些过程是如何运作的。”

在拟南芥中，他发现了三个控制减数分裂重要过程的基因，并使减数分裂不同于有丝分裂，即细胞分裂成两个相同的子细胞。当梅西耶同时灭活这三个基因时，减数分裂恢复为有丝分裂，植物形成克隆生殖细胞。

因此，卵细胞的遗传物质和染色体数量与母体植物相同。因此梅西耶发现了一个绕过减数分裂的过程。

2016年，法国国际发展农业研究中心CIRAD的Mercier和Emmanuel Guiderdoni将这一被称为MiMe（有丝分裂而不是减数分裂）的过程应用于水稻，从而首次应用于农作物。

除玉米和小麦外，稻米是世界上最重要的谷类作物之一，是世界 90% 人口的主食。这三个基因在进化过程中被保守并控制减数分裂和米饭。结果表明，即使没有这些基因，水稻中也会形成与母株基因相同的卵细胞。

2019 年，来自加州大学戴维斯分校的 Mercier 和 Venkatesan Sundaresan 攻克了第二个障碍。通过激活卵细胞中的 BBM1 基因（该基因仅在花粉和胚胎中活跃），可以在不受精的情况下触发胚胎的发育。

BBM1 是一种触发胚胎发生的转录因子。它在卵细胞与花粉细胞受精后的细胞中变得活跃。因此，证明了作物通过种子进行克隆繁殖的可行性。但该过程尚未准备好付诸实践。

“与有性繁殖的水稻相比，这些植物产生的种子仍然少了 30%。当然，这是一个问题，因为这意味着我们收获种子的作物产量会减少 30%。但我相信这可以会在不久的将来得到解决。”

研究人员现在尝试 MiMe 技术的另一种作物是番茄，它是世界第一大蔬菜作物。在其他番茄中，科学家们在他们的研究中使用了枣番茄和藤番茄——这些杂交品种也可以在超市买到。

除了建立 MiMe 系统之外，Charles Underwood 和他的团队还以另一种方式应用它。首先，他们在不同的杂交番茄植株中建立了 MiMe，以产生克隆性细胞。一株植物的克隆卵与另一株植物的克隆精子受精，产生了含有父母双方完整遗传信息的植物。

这种被称为“多倍体基因组设计”的方法使安德伍德和他的团队能够设计出具有四重染色体组而不是两重染色体的植物。在这些番茄植株中观察到的多倍体与在小麦、油菜、香蕉和马铃薯等许多其他栽培作物中观察到的多倍体相似。这里的区别在于多倍体是由 MiMe 过程诱导的。 “结果是一种超级混合体，”安德伍德说。

抗病马铃薯品种

这位科学家站在一个 LED 照明的温室前，温室里种满了番茄植物，他指着右前方的植物，它的果实特别大。 “这种植物有四组染色体，因此它携带了两种亲本植物的完整遗传物质。据我们所知，这是第一次来自两个不同亲本的克隆性细胞在任何植物或动物中融合确保从父母双方获得完整的遗产。”

与“超级杂交”相邻的是一种结出小得多的果实但非常健壮的植物。 “这是 MiMe 番茄杂交种与番茄野生近缘种 Solanum pennellii 杂交的结果。这种野生品种来自南美洲的贫瘠地区，特别能抵抗炎热、干旱和盐碱土壤。这种胁迫的基因这种杂交植物现在也具有耐受性，”安德伍德说。

这也解释了为什么果实较小：大果实实际上根本不存在于自然界中，而是人类数万年人工选择的结果。杂交番茄是 Underwood 和他的同事利用 MiMe 开发新育种系统的努力的一部分，该系统可以充分利用作物野生近缘种的抗逆性。

MiMe 方法的另一个候选对象是马铃薯。土豆和西红柿可能看起来很不同，但植物本身密切相关。它们都属于茄属植物，而且实际上属于同一属。

“当今的许多品种已经非常古老了？例如，‘Russet Burbank’品种在美国已经种植了一个多世纪。迫切需要加快开发能够耐受病害的抗病马铃薯品种。”夏季气候日益变化，因为土豆仍然是我们最重要的农作物之一，”安德伍德说。

马铃薯种植中出现的问题之一是疾病。例如，引起马铃薯枯萎病的病原体会损害植物的地上部分和地下块茎。如果病原体在生长阶段攻击马铃薯植株，则会导致产量大幅损失。

十九世纪中叶的爱尔兰，真菌病导致了毁灭性的饥荒。与野生番茄一样，来自野生马铃薯品种的遗传物质可以使其家养近缘种更具抵抗力。 “MiMe 可以让我们培育出更能抵抗马铃薯枯萎病的品种，但同时又具有马铃薯的常见特征。这有助于减少向植物喷洒杀虫剂的需要，”安德伍德说。

对于 Raphaël Mercier 来说，MiMe 杂交马铃薯品种也具有巨大的潜力，部分原因是收获的不是种子或果实，而是地下的块茎。 “因此，MiMe 杂交马铃薯不会形成那么多种子，这一事实并不像水稻那样重要，因为这不会对产量产生负面影响。”

严格的基因工程法阻碍 MiMe 技术

然而，这项技术的应用存在一个障碍——即欧盟对转基因作物的严格规定。这些限制了 MiMe 等基于基因组编辑（即基因的定向改变或失活）的技术。

“欧盟应该效仿美国和英国的榜样，让培育基因组编辑植物变得更加容易。最终，我们需要提高未来的粮食生产效率，以便在极端天气更加频繁的情况下养活不断增长的全球人口。在这里，通过基因剪刀培育出更高产、更健壮的杂交品种可以做出贡献，”Mercier 说。

因此，其他研究人员也呼吁欧盟制定现代化的基因技术立法，考虑新技术和新发现，因为现有立法已有 20 多年的历史。欧洲议会于今年年初批准了欧盟委员会的一项立法提案，该提案将促进基因组编辑植物的批准。现在欧盟成员国必须就立法文本的最终版本达成一致。

因此，政治家将决定有一天这些植物是否会在欧洲的田地里生长。但归根结底，这取决于消费者是否愿意在他们的盘子上看到基因组编辑的产品。也许这个决定可能是受到这样一个事实的影响：MiMe 技术并不像乍一看那么不自然。

蒲公英和其他植物，例如各种黑莓和草，在自然界中完全繁殖，无需雌性减数分裂或卵细胞受精。显然，每年春天草地上出现的黄色蒲公英地毯就证明了这种繁殖方式的运作良好。