MP | 严建兵团队综述DH与人工无融合生殖进展以及作物育种应用

2024年6月13日，华中农业大学严建兵教授团队在Molecular Plant发表综述：Doubled Haploid Technology and Synthetic Apomixis: Recent Advances and Applications in Future Crop Breeding，系统总结了双单倍体（DH）技术和人工无融合生殖的最新研究进展，探讨了DH技术升级、单倍体诱导和人工无融合生殖在作物精准设计育种和从头驯化中的应用。

双单倍体技术

双单倍体技术通过组织培养或体内诱导产生单倍体植物，然后通过染色体加倍获得纯合系。这一过程通常只需两到三代，显著缩短了育种周期。DH技术的关键在于诱导系，这些系与其他种质杂交时能够诱导产生单倍体后代。例如，玉米的Stock6诱导系在1959年首次被识别，其单倍体诱导率（HIR）为2.29%，随后被用来开发更多的诱导系，这些系在玉米DH育种项目中得到了广泛应用。

单倍体诱导基因的鉴定与功能

过去二十年间，通过多种策略鉴定了许多单倍体诱导（HI）基因。例如，IG1基因突变在玉米中被用作产生单倍体的雌性亲本。CENH3基因突变或转基因表达能够诱导染色体从突变体中消失，从而产生单倍体后代。ECS1和ECS2基因突变导致不完全的双受精，进而产生母本单倍体。此外，通过QTL定位发现，HI在玉米中由少数数量性状位点（QTLs）控制，这些QTLs的克隆有助于扩展我们对遗传基础和HI分子机制的理解。

单倍体诱导基因

单倍体诱导的分子机制

单倍体诱导的分子机制尚未完全明了，但单受精、染色体消除和孤雌生殖是部分解释HI现象的三个现象。单受精是指只有一个精细胞与卵细胞或中央细胞融合，导致胚乳正常或单倍体胚胎种子的形成。染色体消除是指在双受精后胚胎发生期间消除一个亲本染色体。孤雌生殖则是指在没有精卵融合的情况下胚胎发育。

单倍体诱导基因及相应机制

单倍体识别与筛选

快速准确地识别单倍体是应用DH技术的前提和关键过程。早期研究中，单倍体的识别主要基于表型、生理和遗传差异，如花色苷基因R1-nj的颜色、胚根长度等。随着技术进步，荧光蛋白标记被用来区分单倍体和二倍体。例如，CENH3-YFP被引入诱导系，利用YFP信号追踪染色体消除并区分二倍体和单倍体。此外，基于花青素标记的计算机视觉系统和基于籽粒油含量的核磁共振及近红外光谱系统也被开发出来，用于高通量单倍体识别。

染色体加倍

产生DH系需要基因组加倍，确保雄性不育后的雄性可育。基因组加倍可以通过化学诱导或自然发生，是发展DH系的关键瓶颈。秋水仙素是最常用的化学诱导剂，但其应用存在多种缺点，如对人类和环境的有害影响以及大规模应用和处理的成本。自然发生的基因组加倍频率在不同玉米自交系中从不到1%到超过70%不等，主要由少数遗传位点控制。

人工无融合生殖

孤雌生殖是一种无性种子繁殖过程，产生克隆种子而不经过减数分裂和雌雄配子的融合。孤雌生殖在许多开花植物家族中都有报道，但主要谷物作物中尚未发现。将孤雌生殖引入主要谷物作物通过杂交尚未成功，但人工植物合成孤雌生殖系统为有效繁殖杂交种提供了有希望的替代途径。例如，MiMe基因型（osd1、spo11、rec8三突变体）的创建是一个里程碑，因为它将减数分裂转变为类似有丝分裂的分裂过程。

作物合成无融合生殖

作物合成无融合生殖的进展

近年来，在通过操纵少数几个基因实现作物合成孤雌生殖方面取得了显著进展。常用的基因包括SPO11-1、REC8和OSD1，这些基因在减数分裂中具有基本功能。在拟南芥中，这些基因的独立突变导致减数分裂异常。在水稻中，PAIR1基因突变被用来代替spo11，以实现OsMiMe。尽管进行了一组基因突变，但在形成配子过程中跳过减数分裂的现象也在只突变了一个基因的拟南芥植物中观察到。

人工合成无融合生殖的挑战与前景

合成孤雌生殖不仅需要在减数分裂缺失的情况下产生配子，还需要在未受精的情况下发育胚胎。通过CENH3的HI能力和MiMe/dyad的联合应用，成功地在拟南芥中以高频率保留了母本杂合性的克隆种子。类似的策略也用于水稻，通过在卵细胞中异位表达BBM基因或使用CRISPR-Cas9突变OsMTL来获得孤雌生殖。合成孤雌生殖在杂交水稻中传递多代的杂种优势，突显了其在先进作物育种中的重要价值。

DH技术在未来育种中的应用。(A) 携带CRISPR-Cas9盒的诱导系能在两代内产生无转基因的二倍体植物，并对目标基因进行编辑，这使得在数代中堆叠多个有利等位基因成为可能。(B) 应用HI基因可以快速从自多倍体中生成二倍体，用于全新的育种并利用杂种优势。

未来展望

实现高HI和克隆种子率的非转基因方法是一个重要目标。CRISPR-Cas9技术和其变体在精确编辑或操纵大DNA片段方面变得越来越强大和精确。基因组编辑显著改善了许多植物的性状。然而，育种优良品种需要彻底改善许多特性，这些特性是大量有利等位基因混合的结果。利用DH技术和精确基因组编辑的结合，可以在几代内将数十个基因堆叠在一起，这在传统交叉-分离基础的导入或单独使用CRISPR-Cas9编辑中是具有挑战性的。