科学家首次揭秘向日葵卵细胞孤雌生殖现象

4月3日，《自然》刊发了一项突破性研究：由我国科学家吕建、梁大伟带领的团队首次在向日葵中，揭示了单倍体卵细胞孤雌生殖现象。这项历时9年的研究，不仅改写了植物生殖发育理论，更可能为提升全球向日葵育种效率提供技术支撑。

偶然发现背后的九年探索：从“花粉过敏”到颠覆认知

“这完全是个意外。”论文第一作者、先正达集团北京创新中心首席科学家梁大伟和论文通讯作者、第一作者、先正达集团北京创新中心首席科学家吕建在接受科技日报记者专访时回忆道。2016年，团队最初试图用脂肪酸类化合物处理向日葵花粉和玉米花粉诱导向日葵远缘杂交，却在对照实验中发现细胞质雄性不育系向日葵未经授粉竟结出种子。这个“异常信号”让团队警觉——传统双受精理论无法解释这一现象。

为验证猜想，团队展开了一场“自我否定”的科研马拉松。他们尝试用菠菜、水稻甚至灭活花粉处理花朵，最终通过严格隔绝授粉的实验设计证实：部分向日葵品系具备“卵细胞自主发育成单倍体种子”的能力。“我们套袋隔离了上千朵花，每天凌晨五点赶在开花前人工去雄，花粉过敏到需要全副武装。”吕建指着实验室照片中的防护装备苦笑。

经过全球多地重复试验和显微胚胎学验证，团队筛选出10个具有稳定孤雌生殖能力的向日葵自交系。数据显示，这些品系在无授粉条件下可以诱导产生单倍体种子，且经染色体加倍后可育。这项发现为发育生物学开辟了新研究方向。

填补发育生物学百年空白

“这可能是植物应对双受精失败的进化‘备胎方案’。”吕建解释道。传统理论认为，被子植物必须通过精卵结合（形成胚胎）和精细胞与中央细胞结合（形成胚乳）完成繁殖。该研究首次证实，在特定遗传背景下，向日葵卵细胞可绕过受精直接启动胚胎发育，且无须胚乳支持（实验中未观察到胚乳自主发育）——这一发现突破了学界对植物生殖的认知框架。

团队通过表型筛选而非基因编辑手段，在常规育种材料中发现天然孤雌生殖特性。“自然界可能蕴藏着更多未被识别的生殖策略。”先正达种子研发技术负责人Rachel Egger点评道，“这项研究为无融合生殖（克隆种子）技术开发提供了天然模型。”

《自然》评审人高度评价其科学价值：“这是单倍体技术领域近十年来最具原创性的发现，为解析植物生殖‘开关’机制提供了关键材料。”此前，《自然》仅发表过3篇单倍体技术相关论文，且集中于玉米、小麦等主粮作物。作为全球第四大油料作物（2024年种植面积2400万公顷），向日葵的首个孤雌生殖模型，其理论突破更具产业指向性。

双单倍体技术引领育种革命

“传统向日葵育种需5—6年，而我们的技术有望缩短至3年。”先正达集团性状技术总监Tim Kelliher算了一笔效率账。传统杂交育种需经多代自交纯合，而孤雌生殖产生的双单倍体（DH）植株可实现“一步纯合”，直接固定优良性状。团队已构建完整技术链条：从诱导单倍体种子、优化萌发技术到染色体加倍方案，初步实现DH植株规模化生产。

这项突破对种业竞争格局影响深远。目前全球向日葵油市场规模达405.9亿美元，且需求持续增长。DH技术可加速抗病、耐旱品种选育，据测算可使品种更新周期缩短40%，帮助种植者应对气候变化挑战。先正达已就关键技术提交专利申请，计划2025年启动全球PCT布局。

“真正的挑战在于技术普适性。”吕建坦言，“当前仅10个品系表现稳定，不同品种诱导率差异达20倍。”团队下一步将联合全球育种网络，攻关向日葵双单倍体技术。梁大伟展望道：“若能定位关键基因，我们可能设计出适应不同作物的‘生殖开关’，这将是育种技术的范式革命。”

从温室里的意外发现，到登上顶级学术殿堂，这项研究印证了基础科学对产业变革的源头价值。正如吕建在采访中所言：“科学需要忍受‘无用之美’的寂寞，但产业终将回报那些坚持追问自然奥秘的人。”在粮食安全挑战加剧的今天，这场向日葵生殖机制的揭秘，或许正孕育着一场静默的绿色革命。