程祝宽课题组创制水稻无融合生殖遗传材料学术资讯

近日，JIPB在Wiley网站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的研究论文 “A strategy for generating rice apomixis by gene editing”（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.12785）。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：jipb1952 JIPB

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