雜交水稻雖然性狀優(yōu)良，但在育種和種植上，卻不如普通水稻來(lái)得那么簡(jiǎn)便，這也正是許多雜交作物的通病——在有性繁殖的過(guò)程中，帶來(lái)高產(chǎn)量等優(yōu)良特性的遺傳物質(zhì)，會(huì )出現分離。這樣一來(lái)，雜交作物的后代，往往無(wú)法保持同樣的優(yōu)良性狀。因此，農學(xué)家們每年都要重新進(jìn)行育種，而種植雜交作物的農民們也需要每年購買(mǎi)新的種子。
先前，科學(xué)家們發(fā)現大約有400種植物具有特殊的“無(wú)性繁殖”能力。它們無(wú)需受精，就能產(chǎn)生可繁育后代的種子。不考慮突變的前提下，通過(guò)這種繁殖方式產(chǎn)生的后代，遺傳物質(zhì)與親本可謂如出一轍。如果也能利用水稻的種子實(shí)現無(wú)性繁殖，不就可以輕松維持雜交水稻的高產(chǎn)性狀了嗎？
為了實(shí)現這個(gè)技術(shù)突破，來(lái)自加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的一支研究團隊首先想要了解在植物發(fā)育過(guò)程中，受精卵想要變成胚胎，背后有著(zhù)怎樣的分子生物學(xué)通路。他們發(fā)現在水稻里，有一個(gè)叫做“嬰兒潮”（Baby Boom，縮寫(xiě)BBM）的基因家族。其中，有一條BBM1基因只在精子里表達。在精子與卵子結合之后，受精卵里的BBM1活性，也主要來(lái)自于精子的貢獻。
科學(xué)家們敏銳地指出，BBM1有可能是啟動(dòng)胚胎發(fā)育的“開(kāi)關(guān)”。為了測試這個(gè)想法，他們敲除了BBM1，BBM2，以及BBM3基因，觀(guān)察胚胎發(fā)育是否會(huì )有變化。果不其然，在幾條BBM基因失去功能之后，水稻的胚胎發(fā)育也隨之終止。
更重要的是，在這三重突變體里引入BBM1基因，可以重新啟動(dòng)胚胎發(fā)育過(guò)程。
讓我們來(lái)整理一下科學(xué)家們的發(fā)現：在受精卵中，有著(zhù)植物發(fā)育所需的完整基因組。只要提供BBM1基因，就能讓受精卵變成胚胎，啟動(dòng)后續的發(fā)育過(guò)程。
這打開(kāi)了通往水稻種子無(wú)性繁殖的大門(mén)。
充滿(mǎn)創(chuàng )意的研究人員們利用基因編輯手段，去除了水稻的“減數分裂”能力。這樣一來(lái)，它們產(chǎn)生的卵細胞只會(huì )經(jīng)歷“有絲分裂”，依舊帶有所有的染色體。隨后，研究人員們讓這些卵細胞表達BBM1。正如他們所預期的那樣，這些卵細胞無(wú)需受精，就可以變成胚胎。
這樣做的好處在于，產(chǎn)生優(yōu)良性狀的遺傳物質(zhì)不會(huì )分離，因此性狀較難丟失。
“我們有一個(gè)雙倍體的卵細胞，它能形成胚胎，長(cháng)成一個(gè)克隆體。”本研究的通訊作者Venkatesan Sundaresan教授說(shuō)道。
這些克隆體，能否保持雜交水稻的優(yōu)良性狀呢？在一項實(shí)驗中，研究人員們使用這種技術(shù)，培育了多代水稻。通過(guò)全基因組測序，以及隨機SNP驗證的方法，科學(xué)家們證實(shí)，這些后代都具有預期的遺傳多樣性，表明的確可以通過(guò)這一技術(shù)，對雜交水稻進(jìn)行無(wú)性繁殖。
曾幾何時(shí)，利用主要作物的種子進(jìn)行無(wú)性繁殖，被認為是農業(yè)上的一大圣杯。如今，這一難關(guān)已被科學(xué)家們攻克。正如Sundaresan教授所言，這項工作“有望為農業(yè)帶來(lái)變革”。據估計，到2050年，地球的總人口將接近100億。為了填飽那么多人的肚子，我們期待未來(lái)能有更多重磅農業(yè)突破降臨。
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