发现的基因对让作物植物产生克隆种子至关重要

来自 KeyGene 和瓦赫宁根大学与研究中心（WUR）的研究人员与来自日本和新西兰的同事合作，发现了一种基因，它将使生产与母株基因相同的作物种子成为可能，并且不需要授粉。

这种现象被称为无融合生殖，使具有理想性状组合的植物能够产生许多与母株具有相同理想基因组合的后代。

KeyGene 和 WUR 的研究人员与来自日本育种公司 Takii 和新西兰植物与食品研究公司以及林肯大学的研究人员一起，在《自然-遗传学》杂志上解释了该基因的工作原理以及它对“遗传学之父” Gregor Mendel 工作的影响。

这一发现有望在未来几年内为植物育种带来重大创新。

所发现的基因被命名为 PAR，是孤雌生殖的简称，孤雌生殖是指卵细胞在没有受精的情况下成长为植物胚胎的过程。这一发现标志着一个明确的突破，并为研究小组15年前在 KeyGene 公司开始的工作加冕。

农业方面的创新
拟态被视为农业的圣杯。由于无性系植物从母株上产生 “克隆”种子，这一过程可以一次性捕捉到植物性状的独特优势组合。因此，养蜂人可以加速创新作物的培育，使种子生产成本降低，并为世界上更多的作物品种带来杂交育种的优势。

WUR的研究员 Carla Oplaat, 在实验室里。

虽然人们早已认识到孤雌生殖对农业的重要性，但在植物育种实践中还没有成功引入。2018年发现了一个可用于水稻孤雌生殖的基因，但科学家们现在知道，不幸的是，该基因在禾本科植物之外并不起作用。

十五年来的研究
来自荷兰研究公司 KeyGene 的一个科学家团队在2000年代初开始解开孤雌生殖背后的遗传学。从一开始，他们的想法是，找到这些基因可能意味着在作物中使用无融合生殖的突破。2016年，KeyGene 团队成为第一个发现DIP基因的人，该基因是不减数孢子生殖的基因，是参与无融合生殖的两个步骤之一。

WUR 温室里的蒲公英

DIP 基因确保在卵细胞形成过程中染色体的数量不会减半。无融合生殖的另一个关键步骤是，这个具有这种正常染色体数目的卵细胞在没有受精的情况下开始分裂，并成长为一个胚胎。这个过程被称为孤雌生殖。因此，KeyGene 的研究人员开始寻找 PAR 基因，并让瓦赫宁根大学和研究机构的生物系统学小组参与这项研究。

蒲公英
研究小组在他们的研究中使用了蒲公英，这是已知的通过无融合生殖繁殖的大约400种野生植物物种之一。PAR基因确保卵细胞在没有受精的情况下发育成植物胚胎。KeyGene的研究人员证明PAR基因在花粉中是活跃的。

喷头单性生殖蒲公英，照片来自WUR

卵细胞被愚弄
在瓦赫宁根大学和研究所的生物系统学小组，人们发现PAR基因在卵细胞中通常是不活跃的。通常情况下，PAR 基因只有在受精后才会在卵细胞中变得活跃，然后进行分裂，形成植物胚胎。在通过无融合生殖形成种子的蒲公英植物的卵细胞中，PAR基因被证明在受精之前就已经 “打开”了。换句话说，这些卵细胞“认为”它们是受精的，并在没有发生受精的情况下开始分裂。

鹰嘴兰
在新西兰，林肯大学和植物与食品研究所的研究人员也在研究孤雌生殖基因。他们的研究重点是鹰嘴豆，这是格雷戈尔-孟德尔广泛研究的一个植物属。19世纪中期，孟德尔注意到豌豆和鹰嘴豆的植物特征遗传不同，但他无法解释原因。我们现在知道，这是因为豌豆是有性繁殖，而鹰嘴豆是通过无性繁殖。

鹰嘴豆和蒲公英属于同一植物家族，因此新西兰研究人员将 PAR 基因与鹰嘴豆的基因进行了比较，并发现了 KeyGene 研究人员在蒲公英中也观察到的一些情况：虽然所有植物都含有 PAR 基因，但有无融合生殖的植物在基因中多了一块 DNA。这块额外的 DNA 在鹰嘴豆的位置似乎与蒲公英的位置几乎相同，尽管这些植物被认为是在 1300 多万年前从一个共同的祖先分离出来。

有性繁殖的蒲公英中的卵细胞，图片来自 WUR。

跳跃的基因
一个重要的后续问题是，蒲公英的PAR基因和有关的新知识进一步分析表明，额外的 DNA 片段是一个所谓的转座子：一个可以在植物 DNA 中“跳跃”的DNA片段。在鹰嘴豆和蒲公英中，转座子位于PAR基因的启动子中，即调节该基因活性的区域。研究人员现在认为，这些跳跃基因是在这两种植物物种中独立出现在PAR基因的启动子中的，这是一个平行进化的案例。

现在到了农作物
一个重要的后续问题是，蒲公英的PAR基因和关于无融合生殖背后的遗传学的新知识是否可以用于培育具有遗传优势的种子的作物。

虽然大多数植物不使用无融合生殖，但大多数植物的基因与PAR基因以及早先发现的蒲公英DIP基因惊人地相似。这表明无融合生殖自然地作为正常有性繁殖的一种修改，因此，也可能表明无融合生殖可以通过使用基因编辑等现代工具广泛适用于创新农业。

KeyGene的研究人员已经开始了这项工作。在最近的研究中，他们与Takii Seed的科学家一起，成功地证明了PAR基因可以导致莴苣和向日葵的孤雌生殖，使作物的孤雌生殖的前景又向前迈进了一步。

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