Nature Genetics：利用杂交作物的无性系配子改造多倍体基因组

在德国科隆马克斯·普朗克植物育种研究所(MPIPZ)的Charles Underwood领导的一项新研究中，科学家们建立了一个系统，在番茄植物中产生无性系细胞，并用它们来设计后代的基因组。来自一方亲本的无性系卵子与来自另一方亲本的无性系精子的受精产生了包含父母双方完整遗传信息的植物。这项研究发表在《自然遗传学》杂志上。

杂交种子是将两种具有特定有利性状的不同亲本系结合在一起，在农业中很受欢迎，因为它们能产生结实的作物，提高生产力，并已被农民使用了一百多年。

杂交种性能的提高通常被称为杂种活力或杂种优势，并且在许多不同的植物(和动物)物种中都观察到。然而，由于遗传信息的分离，杂种优势效应在这些杂种后代中不再持续存在。因此，每年都需要生产新的杂交种子，这是一项劳动密集型和昂贵的努力，并不是对每种作物都有效。

那么，杂交植物基因中编码的有益性状如何传递给下一代呢?

一般来说，我们的遗传物质在减数分裂过程中经历重组——这是所有有性生殖生物中发生的关键细胞分裂。这种重组，由于染色体的随机分离和减数分裂重组，在自然种群和育种过程中产生新的和有益的遗传构型是重要的。

然而，当涉及到植物育种时，一旦你有了一个很好的组合，你就想保持它，而不是通过重新洗牌基因而失去它。有一个绕过减数分裂的系统，可以产生与父母基因相同的性细胞(卵子和精子)，可以有几个应用。

在这项研究中，Underwood和他的团队建立了一个系统，在这个系统中，他们用有丝分裂(一种简单的细胞分裂)代替减数分裂，这是最受欢迎的蔬菜作物——栽培番茄。在所谓的MiMesystem(有丝分裂而不是减数分裂)中，细胞分裂模仿有丝分裂，从而避免了基因重组和分离，并产生与亲本植物完全克隆的性细胞。MiMesystem的概念之前由MPIPZ主任Raphael Mercier在拟南芥和水稻中建立。

这项新研究的一个突破性方面是，研究人员首次利用克隆性细胞通过他们称之为“多倍体基因组设计”的过程来改造后代。

通常，性细胞有一组减半的染色体(在人类中，46条染色体减少到23条;在番茄中，24条染色体减少到12条，而MiMe性细胞是克隆的，因此染色体组的减半不会发生。安德伍德和他的团队进行了杂交，这意味着一株MiMe番茄植株的无性系卵子与另一株MiMe番茄植株的无性系精子受精。由此产生的番茄植株包含了父母双方的完整基因库，因此由48条染色体组成。因此，通过设计，两个杂交亲本的所有有利特性都被整合在一个新的番茄植株上。

由于西红柿和土豆之间有着密切的遗传关系，安德伍德周围的研究小组认为，这项研究中描述的系统可以很容易地应用于土豆，世界上第五大最有价值的作物植物，以及潜在的其他作物物种。

鉴于不断增长的人口和气候变化，开发高产、可持续和稳定的品种对确保世界粮食长期供应至关重要。因此，培育具有更高抗病性和抗逆性的植物至关重要。植物繁殖技术的创新方法至关重要。MiMe系统及其在多倍体基因组工程中的应用可能是解决当今农业挑战的一个有前途的途径。

“我们对利用克隆性细胞进行多倍体基因组设计的可能性感到非常兴奋。Charles Underwood说:“我们相信这将允许育种者以可控的方式进一步发掘杂种优势——多倍体中发现的渐进式杂种优势。”

“我们建立的番茄MiMe系统将来也可以用作无性系种子生产的一个组成部分——合成无融合。这将大大降低杂交种子的生产成本。”Yazhong Wang补充道。