科学家用山柳菊关键基因实现杂交水稻无融合生殖

　　5月27日，《植物通讯》（Plant Communications）在线发表了中国水稻研究所研究员王克剑团队，联合荷兰拉德堡德大学教授Charles J. Underwood团队、海南崖州湾国家实验室研究员、中国科学院院士钱前团队以及长江大学教授邱先进团队完成的研究论文。他们通过整合山柳菊无融合生殖关键基因PpPAR与MiMe（Mitosis instead of Meiosis）模块，在杂交水稻中实现了稳定高效的克隆种子生产。

　　19世纪中叶，孟德尔在豌豆实验取得成功后，试图将成功经验推广到新的物种山柳菊上。然而他在试图用山柳菊验证豌豆实验结论时，却遭遇了失败。山柳菊的杂交后代无法呈现预期的性状分离规律。这个生物学特例的打击，让孟德尔十分沮丧，也主动放弃了山柳菊的研究。

　　这一谜题困扰科学界多年，直到1904年终于迎来转机。丹麦植物学家Carl Hansen Ostenfeld在研究山柳菊时，首次提出“无融合生殖”概念。无融合生殖能让某些植物通过改变胚胎发育路径，胚的形成完全或部分不依赖雌雄配子的结合，而是由母体的未受精生殖细胞（如卵细胞、助细胞或珠心细胞等）直接发育成胚，最终形成种子。这就像给优势基因组合打造了一个“时间胶囊”，能将其完整地传递给后代。这个颠覆性的发现如同一束光，照亮了山柳菊的神秘面纱，也为育种学家提供了一种全新的育种思路。

　　2022年，Charles J. Underwood等从山柳菊中锁定关键候选基因PpPAR，该基因与蒲公英的孤雌生殖基因ToPAR结构和表达模式十分相似。但是该基因功能至今未得到有效验证。

　　研究团队以此为切入点，将山柳菊的PpPAR基因导入杂交水稻“春优84”中，并开展系统性研究。在构建单倍体诱导系统时，团队利用拟南芥AtDD45启动子诱导PpPAR在水稻卵细胞中以为表达，诱导产生纯合单倍体后代。13个独立株系中单倍体诱导率最高达1.5%，为快速创制纯合系提供了新途径。

　　当PpPAR与MiMe协同作用时，令人惊喜的现象出现了——“Fix5”转基因株系的克隆效率在T0代最高达84.6%，且遗传稳定性在T1、T2代中保持良好。全基因组测序证实，克隆种子100%保留亲本杂合性，成功固定杂交优势。

　　尽管当前转基因株系结实率（52.1%-72.6%）低于常规杂交稻（84.1%），但实验发现，克隆效率与PpPAR表达量呈正相关。表达量最高的株系克隆率达88.9%，为后续优化指明方向。

　　中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室特聘副研究员熊杰、硕士姬亚捷、硕士杨深琳为论文共同第一作者，王克剑为通讯作者。研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程、中国农科院国家南繁研究院南繁专项等资助。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101387