重要性堪比发明印刷机，这项种子黑科技或将重塑农业

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重要性堪比发明印刷机，这项种子黑科技或将重塑农业

原创 Nature Portfolio 自然系列

2025年12月23日 22:08

原文作者：Dyani Lewis

本篇《自然》长文共6437字，干货满满，预计阅读时间20分钟，时间不够建议可以先“浮窗”或者收藏哦。

科学家正通过基因编辑，让作物在无需受精的情况下也能产生与母本一致的克隆种子，这有望为农户带来一系列好处。

插图： Acapulco Studio

25年10月，一批用于试验的抗逆高粱在澳大利亚东部的网棚下开始出苗。这些植株外观普通，但它们的基因里藏着某些革命性的东西。

如果试验成功，每株植株都将无需受精，并在每个穗上结籽，形成数以千计的克隆种子。

Hy‑Gain高粱试验是澳大利亚昆士兰大学植物生理学家Anna Koltunow数十年研究工作的结晶。早在1990年代初，她就开始探索如何实现“无融合生殖种子”。这项技术利用自然界的一种特殊机制——无融合生殖。目前已知有300多种被子植物能通过无融合生殖自然产生克隆种子，但它们都不是主要的谷物。研究人员表示，在高粱、水稻和玉米等作物中实现无融合生殖的探索，如今已逼近关键突破，有望变革农业。

“这无疑将引发一场变革。”中国水稻研究所（杭州）的遗传学家王克剑表示，他正在独立进行无融合生殖相关实验。

Koltunow表示，她的工作有望让撒哈拉以南非洲地区的小农户获得价格实惠、高产的高粱（Sorghum bicolor）和豇豆（Vigna unguiculata）品种。届时，农户可以自留这些克隆种子，并连年用于播种，从而进一步降低成本。这也是她的研究获得比尔及梅琳达·盖茨基金会支持的一个原因。

Hy Gain项目的另一家合作方是跨国种业公司科迪华农业科技（Corteva Agriscience）。原因在于，具备无融合生殖能力的植物，有望为面向全球规模化农业市场的种子公司带来显著利好。无融合生殖可以大幅缩短新品种创制所需时间，并在能够在种子克隆的植株中将理想性状的遗传固定。“对这些公司而言，成本降幅可能会非常可观。”Koltunow说。

在少数物种中，面向市场的克隆种子生产已近在眼前，包括水稻——这种主食作物养活着全球一半以上的人口。过去几年里，针对多种无融合生殖作物的专利申请接连涌现。然而，研究人员表示，要让这些进展真正落地生根，仍有一些关键难题亟待解决。“现在概念验证已经跑通，下一步是精细调整。”美国加州大学戴维斯分校的植物生殖生物学家Venkatesan Sundaresan说。

固定杂交优势

用于种植的无融合生殖种子的到来，可能会改变农业的诸多领域，首当其冲的是杂交种子的生产。对于玉米、水稻和番茄等全球主要作物，农民已世代播种杂交种子。

当两个亲本品种通过有性杂交时，所得的杂交后代通常表现优于双亲——这一现象称为杂种优势。从1930年到1990年代中期，美国玉米的单产增至原来的7倍，部分原因在于农民采用杂交种子，从而种出一行行整齐一致、长势健壮的植株。

但制造杂交种子既费工费时又昂贵，而且种业需要年年重新制种，农户也得每年重新购种。原因在于，一旦任由杂交种子自交，后代会出现明显的性状分离，整齐度和品质也会变得参差不齐，这正是有性生殖过程中基因重组所致（见“创造克隆作物”）。

来源：Wang, Y., Underwood, C. J. Current Biology. 33, R293–R295 (2023)

借助无融合生殖，杂交优势可以被“固定”下来，因为杂交种能够通过种子克隆自我复制，从而为育种者以及农民提供源源不断的高质量、基因型一致的植株。这也有望用于小麦和大豆等长期被证明杂交制种难度较大的作物。无融合生殖将使人们能够培育出这些作物的精英品种，并使目标性状在代际间实现遗传固定。

到20世纪40年代，研究人员已确认无融合生殖具有遗传基础。但直到20世纪90年代，Koltunow等人才认识到，这一性状并不会取代有性生殖。更确切地说，它是一条“被改写的有性生殖途径”，瑞士苏黎世大学植物遗传学家Ueli Grossniklaus说。这条路径需要两个创新：其一，卵细胞和精细胞形成的细胞分裂过程被中断；其二，胚的形成独立于受精。为此，Grossniklaus团队开展了多项诱变实验，通过定向突变筛查是否有突变体呈现上述改变。

直到2009年，研究人员才首次成功地干扰了有性细胞分裂过程（即减数分裂），以模拟自然界无融合生殖型植物中的情形[1]。当时，植物遗传学家Raphael Mercier就职于法国国家农业研究院（National Institute for Agricultural Research），他试图弄清楚有丝分裂（一个细胞分成两个遗传上相同子细胞的简单过程）如何在进化中演变为更为复杂、且是有性生殖关键步骤的减数分裂。减数分裂包含两轮而非一轮细胞分裂，形成的卵细胞与精细胞仅含通常数目的一半染色体。在受精时二者结合，恢复成完整的染色体组。

Mercier以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究材料。这是一种与甘蓝同科的袖珍草本，是植物遗传学实验室的主力模式植物。他鉴定出一个参与将有丝分裂在进化过程中改造成减数分裂的三大关键机制之一的基因。随后，他干扰了该基因与分别对应其余两大支柱的相关基因，以检验能否让减数分裂变回有丝分裂。

“正如所料。”如今就职于德国马克斯·普朗克植物育种研究的Mercier说。研究所得的三突变体被命名为MiMe（mitosis instead of meiosis， “以有丝代减数”）。在该突变体的花中，精细胞和卵细胞均携带与其来源植株体细胞相同的一整套染色体，因为它们是通过更为简单的有丝分裂而非更复杂的减数分裂形成的[1]。Mercier表示，他立刻意识到MiMe在植物中实现无融合生殖的工程潜力。2016年，他与同事在水稻中应用了MiMe[2]。2024年，他们又在番茄中实现了MiMe[3]。这些植株能够繁殖，但由于卵细胞和精细胞都含有两倍于正常数目的染色体，后代也会获得双倍剂量的染色体，导致可育性逐代下降。这无疑是朝正确方向迈出的一步，但只完成了无融合生殖的一半拼图。

Grossniklaus及其团队在玉米中发现了MiMe的一种替代方案。通过筛选6万个突变体，他们锁定了一个名为“雌性非还原”（non reductive in female，nrf4）的基因。当该基因失活时，约三分之一的卵细胞会通过有丝分裂而不是减数分裂形成。这项工作（包括利用nrf4突变体在作物中首次获得的克隆种子）已受专利保护[4]。

孤雌生殖

无融合生殖的第二个关键环节是孤雌生殖，即未受精的卵细胞可直接形成胚胎，无需雄性参与。2006年，美国佐治亚大学的分子遗传学家Peggy Ozias Akins及同事将研究聚焦于蒺藜草（Cenchrus squamulatus）。这是一种天然的无融合生殖型植物，被认为很可能携带相关基因[5]。他们鉴定出的基因与“BABY BOOM（婴儿潮）”基因家族相似，后者能诱导植物组织自发形成胚。不过，该团队花了将近十年才证实这一基因在无融合生殖中的作用。他们把该蒺藜草基因导入以有性方式繁殖的御谷（Pennisetum glaucum），发现胚胎无需受精便会自发形成[6]。“这太让人振奋了。”Ozias-Akins说。

一支国际研究团队已培育出可通过无融合生殖繁殖的高粱，并将于近期在澳大利亚开展田间试验。图源：Getty

与此同时，Sundaresan正从完全不同的方向锁定BABY BOOM基因。“我的实验室其实没有从事无融合生殖方面的研究。”他说。相反，他的团队正在寻找在未受精卵细胞向能够发育成胚胎的受精卵细胞这一关键转变过程中活跃的基因。

以水稻为材料，Sundaresan团队在授粉后数小时内，从单个卵细胞中提取了RNA（活跃基因的转录产物）。他们发现，BABY BOOM的RNA含量很高。随后该团队证明，BABY BOOM充当胚胎发生的触发器，而且该基因的活性拷贝由精细胞递送到卵细胞[7]。接着，Sundaresan与同事、美国加州大学戴维斯分校的农学家Imtiyaz Khanday进一步表明，精细胞其实并非必需。他们向卵细胞中导入一份带有“在卵细胞中启动表达”指令的BABY BOOM基因拷贝（卵细胞自身的该基因拷贝处于沉默状态），由此成功启动了胚胎发生[8]。

整合各环节

2016年，Sundaresan了解到MiMe水稻的研究后，联系Mercier合作，将MiMe与BABY BOOM结合起来。他们在携带“卵细胞启动表达的BABY BOOM”的水稻中编辑了MiMe相关基因。由此，他们实现了该领域长期追求的目标：获得一种能够通过无融合生殖型植物，能够以种子克隆方式自我繁殖[8]。尽管效率不高（仅有10%—30%的种子为克隆种子），这项工作仍为在重要作物中整合无融合生殖的两大关键要素提供了概念验证。

2022年，Sundaresan、Khanday、Mercier等人验证了一个有望成为常规的做法：用单步法制备克隆种子，以固定杂种优势。他们同时编辑了三个基因以构建MiMe系统，并引入一份能够在卵细胞中启动表达的BABY BOOM基因拷贝。所得克隆种子不仅证明该单步方案可行，效率也有所提升。在某些情况下，超过95%的可育种子为该杂交种的克隆[9]。不过并非所有种子都是可育的，与杂交对照相比，这些些无融合生殖型植株的可育种子数减少了20%-40%。

Mercier说，这种减少可能会抵消合成无融合生殖带来的全部收益。他说：“这项技术必须非常、非常高效。”

2024年，中国的一支研究团队达成了这一目标：他们通过添加一段增强BABY BOOM活性的序列，使无融合生殖型水稻的可育性提升至与杂交种相当[10]。Khanday表示：“就水稻而言，在我看来，这项技术已经具备商业化条件了。”

扩展工具箱

尽管水稻方面进展迅速，但在非禾本科物种（包括重要的蔬菜和油料作物）中制备克隆种子的尝试并不理想。这也是科研人员致力于扩展合成无融合生殖工具箱的原因之一：他们正用其他基因替换起初的三个MiMe基因，并以替代性的胚胎发生触发器取代BABY BOOM。

2022年，荷兰拉德堡德大学的植物遗传学家Charles Underwood和同事在一种蒲公英（Taraxacum officinale）中鉴定出一种胚胎发生的触发因子。该PARTHENOGENESIS（PAR）基因与BABY BOOM毫不相似，但它能够在不经受精的情况下诱导莴苣卵细胞形成类胚结构，不过并未产生完整的种子[11]。该基因在水稻中同样有效。水稻与蒲公英并不近缘，且其基因组中并无对应基因。当PAR与MiMe组合时，便可获得克隆种子[12]。

有更多与无融合生殖相关的基因有待发现。美国哈德森·阿尔法生物技术研究所的植物遗传学家Charity Goeckeritz一直在借助美国农业部维护的大量野生与栽培苹果品种资源，寻找能使某些品种具备无融合生殖特性的基因。到目前为止，她已将候选范围缩小到占苹果基因组不到3%的区域。她说：“希望能在因年内筛出一些非常有希望的候选基因。”她也在黑莓中寻找无融合生殖相关的基因。

尽管实验室内进展迅速，除Koltunow计划开展的无融合生殖高粱田间试验外，真正走到田间的合成无融合生殖植物仍然寥寥无几。研究人员表示，迄今也无人将这类合成无融合生殖型植株通过监管审批流程实现商业化，不过这一目标或许已不再遥远。Koltunow说，即便是常规品种或杂交种，育种者在商业化之前通常也会在多个地点、跨越三个或更多生长季进行田间试验。以同时采用MiMe与PAR的无融合生殖型杂交水稻为例，中国研究人员发现其表现与对应的杂交种亲本相当[12]。

随着合成无融合生殖型植株越来越具备与常规杂交种竞争的实力，监管机构以及消费者将如何看待这项技术，仍存在重大疑问。Mercier表示，大型跨国种子公司更有条件推动此类技术（尤其是涉及转基因食用作物的技术），并通过费用高昂的监管审批流程。

许多从事合成无融合生殖研究的科学家保持乐观，认为无融合生殖前景可期，有望惠及那些无力承担新技术成本的农户。Koltunow指出，撒哈拉以南非洲可能是无融合生殖作物率先进入市场的地区之一。她补充说，转基因抗虫豇豆已在尼日利亚和加纳种植。在全球许多农业地区，高产杂交作物的种子价格高得令人望而却步，而无融合生殖有望让低收入农户首次能够种植杂交作物。

Mercier表示，这项技术有望大幅提升可供选择的杂交种数量及其多样性。就实际应用而言，这可能意味着无论在低收入还是高收入国家，杂交种子都能按当地气候条件进行本地化定制。

他把这件事比作15世纪古腾堡机械印刷机的发明。“当时，人们能获得的书籍从一两本变成爆发式增长。”Mercier说。他还表示，若无融合生殖作物取得成功，也可能引发类似的杂交种爆发式增长，使全球农户都能获得这些作物。

参考文献：

1. d’Erfurth, I. et al. PLoS Biol.7, e1000124 (2009).

2. Mieulet, D. et al. Cell Res. 26, 1242–1254 (2016).

3. Wang, Y. et al. Nature Genet. 56, 1075–1079 (2024).

4. Fox, T. W. et al. Methods and compositions for the production of unreduced, non-recombined gametes and clonal offspring. US Patent US20180142251A1 (2015).

5. Gualtieri, G. et al. Plant Physiol. 140, 963–971 (2006).

6. Connor, J. A., Mookkan, M., Huo, H., Chae, K. & Ozias-Akins, P. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, 11205–11210 (2015).

7. Anderson, S. N. et al. Dev. Cell 43, 349–358 (2017).

8. Khanday, I. et al. Nature 565, 91–95 (2019).

9. Vernet, A. et al. Nature Commun. 13, 7963 (2022).

10. Song, M. et al. iScience 27, 111479 (2024).

11. Underwood, C. J. et al. Nature Genet. 54, 84–93 (2022).

12. Song, M. et al. Mol. Plant 17, 4–7 (2024).
    

原文以Is this the future of food? 'Sexless' seeds that could transform farming标题发表在2025年9月2日《自然》的新闻特写版块上

©nature

Doi：10.1038/d41586-025-02753-x