10,000 年来,世界主要粮食作物水稻进行有性繁殖,重新排列其 的DNA 每一代人,而且经常失去理想的特征……直到现在。
当你听到“无性繁殖”这个词时,你会想到什么? 如果您是一位正在考虑如何养活不断增长的地球的农艺师,那么这句话对您来说就是音乐。 由 IGI Investigator 和加州大学戴维斯分校教授 Venkatesan Sundaresan 领导的一组科学家已经找到了一种使水稻无性繁殖的方法,从而实现了农业梦想。 今天发表于 自然,这项工作描述了一种开创性的方法,可以让水稻植物制造出长成亲本克隆的种子。 这是农业的一项非凡进步,因为它最终将允许农民从优良植物品种中种植和重新种植种子,所有这些都不会失去任何有价值的特性,最显着的是产量(水稻为世界一半的人口提供超过 50% 的每日卡路里) .
一个有价值的探索
人们早就认识到,在世界主要粮食作物中实现无性繁殖将预示着全球农业的重大转变。 世界各地农民种植的许多作物都是通过基因杂交两个近交亲本产生“杂交”种子而产生的。 由此产生的种子优于任一亲本,这是一种被称为“杂交活力”的生物协同现象,有时会产生两倍的谷物产量。 不幸的是,当杂交种进行有性繁殖时,它的 DNA 被改组,许多种子不能继承难以捉摸的组合 基因 创造混合活力。
因此,对农民有用的大米就像拉布拉多犬——拉布拉多犬和贵宾犬的杂交品种。 爱狗人士都知道,两只拉布拉多犬不会生出长得像父母或祖父母的小狗。 对于像水稻这样养活半个地球的作物来说,这是一个主要问题。
如果健壮的杂交植物可以更容易地繁殖、繁殖和分发,它们的成本就会降低,使发展中国家最需要额外食物的农民可以使用它们。 “这是植物育种的重大突破,”IGI 的农业科学总监 Brian Staskawicz 说。 “这将产生重大影响,因为小农可以一代一代地保存他们的种子,并且在不增加成本的情况下仍然保持杂交种子提供的高产量。”
已知许多植物在野外进行无性繁殖,这一过程也称为“无融合生殖”。 这些包括黑莓、蒲公英和一些草(不完全是主食)。 然而,科学家们在基因操纵任何有性植物以这种方式繁殖方面取得的成功相对较少,更不用说主要的粮食作物了。 Sundaresan 和他的同事是第一个实现这一崇高目标的人。
只需进行一对调整
阻止无性繁殖的两个主要障碍——减数分裂过程和对精子的需要 细胞. 为了创造克隆种子,该团队找到了解决这两个问题的巧妙方法。
为了阻止减数分裂,他们使用 CRISPR-Cas9 基因组编辑,这让科学家可以改变特定的 DNA 序列,轻松地灭活基因或添加新材料。 减数分裂是有性繁殖的一个阶段,它改变周围的 DNA 序列并将染色体分成不同的卵细胞。 该小组以法国 INRA 的合著者 Raphael Mercier 开发的策略为基础,并使用 基因组 编辑禁用三个关键的减数分裂基因,无需添加任何外源 DNA。 由于基因组编辑禁用了减数分裂,水稻基因组保持不变。 接下来,他们不得不绕过受精步骤以允许胚胎发育并避免从精子细胞中引入 DNA。这一进步背后的关键见解来自对一种称为“婴儿潮1”的水稻基因的研究,缩写为 BBM1 在 Sundaresan 的实验室里。 主要作者、Sundaresan 实验室的博士后科学家 Imtiyaz Khanday 发现,该基因在水稻植物的精子细胞中活跃,并作为受精卵开始发育成胚胎并最终发育成完整种子的触发器。 研究人员推断,如果他们能够在卵细胞中打开基因,他们可能能够绕过受精步骤,在没有精子的情况下触发胚胎生长,这一过程称为孤雌生殖。
一旦科学家禁用减数分裂并引入 BBM1,卵细胞长成与水稻亲本相同的胚胎,最终形成克隆种子。 至关重要的是,该小组种植了这些克隆种子,种植了一株完整的水稻,然后种植了它的种子,并将这一过程延续了三代。 即使是伟大的植物也与起始植物相同,这是一个重要的迹象,表明该策略应该能够在许多生长季节保持杂种作为无性系繁殖。
产生深远的影响
Sundaresan 和他的团队正在为前进的道路做准备,希望改进他们最初的工作并向世界介绍各种克隆杂交作物。
Sundaresan 解释说:“实际上,我们对它在我们的第一个实验中的效果感到惊讶和兴奋。” “现在道路已经开通,让它在田间以最高效率工作会很棒,所以买不起杂交种子的农民仍然可以从他们自己种植的种子中获得杂交种子的全部好处。”
特别令人兴奋的是,这项研究中调整的基因在其他植物中也发现了,所以同样的方法应该允许无性繁殖的玉米、小麦、西红柿和其他重要的粮食作物的发展。
长期目标是为发展中世界的小农提供克隆杂交种子,他们将从获得高性能作物品种中受益最大。
“所有科学家都梦想对世界产生积极影响,还有什么比增加地球上的食物供应更好的起点呢? 我们知道,自然发生的微小遗传变化会对作物产生重大影响; CRISPR 的美妙之处在于我们可以通过进行如此微小的改变来精确地‘修饰’作物的基因组成,从而创造一种对地球友好的特性,”IGI 的访问学者 Fyodor Urnov 说。 翻译 开创性的科学发现对现实世界的影响。 “作为一个非营利组织,IGI 关注的一个关键领域是发展中世界的可持续农业,该研究所很荣幸拥有 S 博士作为其成员。”
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这项研究发表在该杂志的网络版上 自然 作为“一种雄性表达的水稻胚发生触发器重定向为通过种子进行无性繁殖。” 除了 Khanday、Sundaresan 和 Mercier,该作品的合著者还有 Debra Skinner 和 Bing Yang。 该研究由创新 基因组学 研究所和国家科学基金会。
创新基因组学研究所 (IGI) 是加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校之间的一个非营利性学术合作机构,支持整个湾区的合作研究项目。 IGI 的使命是开发和部署基因组工程,以治愈疾病、确保粮食安全并为今世后代维持环境。 作为基因组编辑、功能基因组学和其他尖端技术的先驱,IGI 科学家不断突破科学的界限。
媒体联系
梅根·霍赫斯特拉瑟: 梅根.hochstrasser@berkeley.edu
Venkatesan Sundaresan: sundar@ucdavis.edu