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水稻育种理论和方法大事件

已有 801 次阅读 2019-1-9 15:58 |系统分类:论文交流

       最近看的网上报道了两件事情,均跟我现在正在从事的水稻育种工作相关,难以抑制自己激动的心情,写下这篇博文,谈谈自己的想法。

       2018年年底和2019年年初,两篇重要研究发现分别发表于Nature和Nature biotechnology期刊上,均是通过基因编辑技术改造了四个基因,是野生型水稻具备了无性生殖的能力,即无融合生殖。通过这两者方法使得克隆水稻杂交种子成为现实,也使得袁隆平院士提出的“一系法”水稻育种成为可能。这两篇文章都利用了“MiMe,turn meiosis into mitosis”的技术方法。这个技术路径最早是在拟南芥中实现,2009年发表于Plos biology上。随后研究人员又在水稻中验证了这一方法的可行性,2016年发表于cell research上。这两篇文献介绍了通过基因编辑三个控制减数分裂的基因,使植物生殖发育过程的减数分裂过程转变为有丝分裂过程,并且不发生染色体交换。


2018年12月12日,Nature 在线刊发了美国加州大学戴维斯分校 Venkatesan Sundaresan研究组一篇题 A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds的论文,该研究发现AP2/ERF家族转录因子BABY BOOM1 (BBM1)可以诱导水稻产生孤雌生殖,并利用有丝分裂替代减数分裂建立了水稻无融合生殖体系,实现了水稻种子无性繁殖。

    由于本人没有权限看到全文,但从新闻报道中(http://www.sohu.com/a/281653887_650136)大概知道BBM1-ee 转基因植株自交后可诱导产生单倍体,经流式细胞仪鉴定发现T1代单倍体诱导率在 5-10%,并可在 T2 代达到 29%。消除植物中的重组事件,利用有丝分裂替代减数分裂的一项技术(MiMe)在拟南芥和水稻中都可实现。研究人员在 BBM1-ee 转基因植株中利用这项技术,产生 S-Apo 植株,发现 S-Apo 植株可通过种子顺利诱导孤雌生殖。由于不存在减数分裂,S-Apo 植株的单倍体具有正常的花药(花粉为2n),而其后代依然可以诱导单倍体产生,比率达到26%,后面两代均维持此概率。进一步对 T0 代 S-Apo 植株,T1 代及T2代二倍体植株进行全基因组测序,通过 SNP 序列分析证明二倍体后代均是通过无性繁殖产生的。


2019年1月4日,Nature biotechnology期刊在线发表了中国农科院中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室王克剑团队的研究论文《Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes》。该论文同样利用了"MiMe"的技术路径,不同之处在于第四个基因

MATRILINEAL (MTL)。MTL基因的功能是能够诱导产生单倍体,2017年先正达公司发表于Nature杂志,随后中国科学家在Molecular plant杂志报道了同一个基因,次年2来自先正达的研究团队在Nature Plants发表了一篇题为“OsMATL mutation induces haploid seed formation in indica rice”的论文。该研究发现水稻中的玉米MTL同源基因OsMATL突变后可以诱导单倍体种子的形成(相关新闻报道http://www.agrogene.cn/info-5125.shtml)。

现在来看看王老师论文中的几个数据,

就表1中的数据我们可以发现,基因编辑后的植株(fix)的结实率在3.7%~5.2%左右,这其中有很大部分是四倍体种子,二倍体种子占0.19%~0.41%。从结实率这一指标上看,与nature发表的论文在数据上有很大差距。总体来看,编辑BBM1基因比编辑MTL基因的效率好很多,也许以后还有更多研究者加入这一个很辉煌的研究中,将水稻结实率再提高,达到生产应用的条件。

最后,我还是很难抑制自己的兴奋的心情,觉得分子植物育种进入了蓬勃发展的阶段,为上述文章作者的智慧感到骄傲和崇敬。



http://blog.sciencenet.cn/blog-3380865-1156154.html


2 蔡小宁 王大元

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GMT+8, 2019-1-16 22:11

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