研究人员发现了对农作物生产克隆种子至关重要的基因

这种被称为“无融合生殖”的现象，可以使拥有理想性状组合的植株能够产生许多与母本相同的理想基因组合的后代。来自KeyGene、瓦赫宁根大学及研究中心、日本TAKII种籽公司、新西兰植物与食品研究中心，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如何撼动了孟德尔遗传定律。这一发现有望在未来几年引领植物育种领域的重大创新。

发现的基因被命名为PAR，这是孤雌生殖的缩写，即卵细胞在没有受精的情况下长成植物胚胎的过程。这一发现是一项突破，并标志着15年前该研究团队在KeyGene展开的工作圆满完成。

农业中的创新

无融合生殖被视为农业的圣杯。由于无融合生殖植株的母本可以产生“克隆”种子，该过程使得拥有独特优越植物性状的组合可以一下子被捕获。因此，无融合生殖可以加速创新作物育种、降低种子的生产成本，并在更多的作物种类上发挥杂交育种的优势。

虽然人们早已认识到无融合生殖对农业的重要性，但目前无融合生殖还未被成功引入植物育种的实践中。2018年，人们发现了一种可用于水稻孤雌生殖的基因，但遗憾的是，科学家们现在发现，该基因在禾本科作物之外没有作用。

15年的研究

早在2000年代初，荷兰研究公司KeyGene的一组科学家就开始揭示无融合生殖背后的遗传学。人们起初的想法是，发现这些基因意味着在农作物中使用无融合生殖技术的突破。2016年，KeyGene团队首次发现了DIP基因即二倍体孢子形成基因，这是参与无融合生殖所涉及的两个步骤之一。

DIP基因保证了卵细胞形成过程中染色体数量不减半。无融合生殖的另一个关键步骤是，具有正常染色体数量的卵细胞在没有受精的情况下开始分裂并长成一个胚胎。这一过程被称为孤雌生殖。KeyGene的研究人员由此开始寻找PAR基因，并邀请瓦大生物系统学研究室参与了这项研究。

蒲公英

研究小组在研究中使用了蒲公英。已知约有400种野生植物通过无融合生殖进行繁殖，而蒲公英是其中之一。PAR基因保证了卵细胞在没有受精的情况下发育成一个植物胚胎。KeyGene的研究人员证明了PAR基因在花粉中具有活性。

被愚弄的卵细胞

瓦大生物系统学系的研究人员发现，卵细胞内的PAR基因通常是无活性的，PAR基因通常只在受精后的卵细胞内变得活跃。在无融合生殖方式形成种子的蒲公英卵细胞中，PAR基因被证明在受精前已被“开启”，换句话说，这些卵细胞“认为”它们已经受精，并在未受精的情况下开始分裂。

格雷戈尔·孟德尔

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。他们的研究主要集中在山柳菊上，该属植物是 格雷戈尔·孟德尔曾进行过深入研究的植物。19世纪中期， 孟德尔注意到植物性状的遗传在豌豆与山柳菊中是不同的，但是他无法解释其原因。现在我们知道了，这是由于豌豆通过有性生殖繁殖而山柳菊通过无融合生殖繁殖的缘故。

山柳菊和蒲公英在植物分类上属于同一科。新西兰的研究人员对与对山柳菊的PAR基因进行了比较，他们的发现与KeyGene研究人员在蒲公英上观察到的情况相吻合：虽然所有的植物都含有PAR基因，但无融合生殖植株的基因中具有额外的DNA片段。尽管这些植物被认为在1300多万年前从一个共同的祖先分离开来，但这一额外的DNA片段似乎在山柳菊和蒲公英上出现在几乎相同的位置。

跳跃的基因

进一步的分析表明，这一额外的DNA片段是所谓的转座子，即一段在植物DNA中可以“跳跃”的DNA。在山柳菊和蒲公英中，该转座子位于启动子区，即PAR基因上调节基因活性的区域。研究人员目前认为，这些最终出现在PAR基因启动子中的跳跃基因，在两种植物中是独立发生的，是一个平行演化的例子。

对农作物的意义

一个重要的后续问题是，蒲公英的PAR基因以及无融合生殖背后的新遗传学知识是否可以应用于培育具有遗传优势种子的农作物。

虽然大多数植物不使用无融合生殖，但大多数植物确实具有与蒲公英PAR基因以及与较早发现的DIP基因惊人相似的基因。这表明无融合生殖在自然情况下可以作为正常有性繁殖的一种修饰。因此，通过使用基因编辑等现代工具，无融合生殖也可能被广泛应用于创新农业。

KeyGene的研究人员已经开始了这项工作。在最新的研究中，他们与TAKII种籽公司的科学家们一起，成功地证明了PAR基因可以使生菜和向日葵进行孤雌生殖，这让无融合生殖在农作物上应用又向前迈进了一步。