中科院遗传所程祝宽课题组创制水稻无融合生殖遗传材料

近期，Journal of Integrative Plant Biology 在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽课题组题为 A strategy for generating rice apomixis by gene editing  的研究论文。该研究利用CRISPR/Cas9技术对水稻中4个减数分裂和单倍体诱导相关基因进行编辑，创制了水稻无融合生殖遗传材料。

无融合生殖是一种特殊的植物无性繁殖方式。通过无融合生殖，植物可以产生与母本基因型相同的克隆种子后代。在作物中导入无融合生殖可以实现F1杂交优势及任何复杂基因型在世代间的固定。尽管无融合生殖在上百种被子植物中被发现，但在栽培作物中却缺乏稳定的无融合生殖现象的报道。在自然植物物种中发现了一系列参与形成无融合生殖的遗传位点，但目前还没有将它们运用到栽培作物中，来实现无融合生殖的繁殖方式。

该研究通过基因编辑技术，对水稻中OsSPO11-1、OsREC8、OsOSD1以及OsMATL同时进行敲除，获得四突变体AOP（Apomictic Offspring Producer）。OsSPO11-1、OsREC8和OsOSD1是参与水稻减数分裂过程的三个重要功能元件。其中，OsSPO11-1参与减数分裂DSB的形成，是染色体同源重组起始的关键。OsREC8是姊妹染色单体间黏连复合物的关键组分，而OsOSD1是实现减数分裂从第一次分裂过渡到第二次分裂的关键组分。同时敲除这三个基因可以导致水稻减数分裂细胞同源重组消失，姊妹染色单体提前解离，并导致第二次减数分裂消失，从而实现从减数分裂到有丝分裂的转变，形成二倍体的克隆配子。对四突变体 AOP 的减数分裂细胞进行染色体行为观察，发现其减数分裂过程确实转变成了有丝分裂过程。进一步运用免疫荧光细胞学实验观察，发现指示同源重组的关键细胞学标记γH2AX、OsMER3和HEI10在 AOP 中均没有信号，说明同源重组在突变体中确实没有发生。荧光原位杂交实验表明，AOP 形成的小孢子是二倍体细胞。这些结果均表明 AOP 确实产生了二倍体的克隆配子。通过上述观察，OsMATL的突变对二倍体克隆配子的形成没有影响，OsMATL在水稻中突变后可以使得突变体在自交或作为父本进行杂交时具有2%-6%的诱导单倍体的能力。通过组合Osmatl和上述三个减数分裂基因的突变，可以实现二倍体克隆配子转变为二倍体克隆后代，从而实现无融合生殖。

程祝宽课题组的博士生谢恩为该论文第一作者，程祝宽研究员为通讯作者。该研究得到了中国科技部及国家自然科学基金的经费支持。

来源：BioArt植物