最早下個(gè)月，在澳大利亞東部一張防蟲網(wǎng)覆蓋的試驗(yàn)田里，一批耐寒高粱就可能破土而出。這些植株看似普通，但其基因中隱藏著革命性的突破。
如果試驗(yàn)成功，每株作物都將繞過有性繁殖階段，在每個(gè)花序中結(jié)出數(shù)千粒克隆種子。
這項(xiàng)名為“Hy-Gain”的高粱試驗(yàn)，標(biāo)志著布里斯班昆士蘭大學(xué)植物生理學(xué)家Anna Koltunow數(shù)十年研究的巔峰突破。早在1990年代初，她便啟動(dòng)了制造“無性種子”的研究計(jì)劃。該技術(shù)利用了自然界的一種特殊現(xiàn)象——無融合生殖（apomixis）。雖然現(xiàn)存300多種開花植物能通過無融合生殖自然產(chǎn)生克隆種子，但其中并無主要糧食作物。研究人員表示，將無融合生殖技術(shù)應(yīng)用于高粱、水稻和玉米等作物的探索，如今正處于徹底改變農(nóng)業(yè)格局的臨界點(diǎn)。
“這將引發(fā)一場變革。”中國水稻研究所遺傳學(xué)家王克劍說，他正帶領(lǐng)另一支獨(dú)立團(tuán)隊(duì)攻關(guān)水稻無融合生殖。
2025年9月2日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)布專題報(bào)道“How sexless seeds could transform our food”，深度解析作物無融合生殖技術(shù)的前沿進(jìn)展，及其可能為全球農(nóng)業(yè)帶來的革命性影響。
Koltunow指出，她的研究成果有望讓撒哈拉以南非洲地區(qū)的小農(nóng)戶獲得高產(chǎn)且價(jià)格實(shí)惠的高粱（Sorghum bicolor）和豇豆（Vigna unguiculata）作物。這些農(nóng)民可以將克隆種子保存多年連續(xù)播種，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。正因如此，她的研究獲得了比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的資助。
跨國種子公司 Corteva Agriscience（總部位于美國印第安納波利斯）也是 Hy-Gain 的合作方。這是因?yàn)闊o融合生殖植物對于面向全球大型農(nóng)業(yè)市場的種子公司而言具有潛在的益處。無融合生殖技術(shù)不僅能大幅縮短新品種培育周期，還能將優(yōu)良性狀固定在克隆植物中。Koltunow表示：“對這些企業(yè)而言，成本的降低（可能）會(huì)非常巨大。”
目前，商品化的克隆種子生產(chǎn)在一些作物中已有望實(shí)現(xiàn)，包括養(yǎng)活了全球半數(shù)以上人口的主糧作物水稻。過去幾年，針對各類無融合生殖作物的專利申請呈爆發(fā)式增長。然而研究人員表示，在這些技術(shù)真正落地之前，仍存在一些關(guān)鍵障礙。“我們已經(jīng)從概念上驗(yàn)證了其可行性，接下來需要進(jìn)行微調(diào)，”加州大學(xué)戴維斯分校的植物生殖生物學(xué)家Venkatesan Sundaresan表。
01
固定優(yōu)勢（Fixing vigour）
無性繁殖種子的出現(xiàn)可能徹底改變農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，尤其是雜交種子的生產(chǎn)。對于玉米、水稻和西紅柿等全球主要作物，農(nóng)民播種雜交種子已有數(shù)代人的歷史。
當(dāng)兩個(gè)親本品種通過有性繁殖雜交時(shí)，產(chǎn)生的雜交后代通常表現(xiàn)出優(yōu)于雙親的性狀——這種現(xiàn)象被稱為“雜種優(yōu)勢”（hybrid vigour）。1930年至20世紀(jì)90年代中期，美國玉米作物的產(chǎn)量增長了七倍，部分原因就是普及了雜交種。農(nóng)民采用了播種雜交種的做法，從而培育出一排排長勢均勻且茁壯的植株。
但雜交制種過程耗時(shí)費(fèi)力、成本高昂，而且雜交種子必須每年重新培育和購買。這是因?yàn)槿糇岆s交植株自花授粉，由于有性繁殖會(huì)將植物基因重新組合配對，最終會(huì)產(chǎn)生良莠不齊、品質(zhì)各異的子代（參見“創(chuàng)造克隆作物”）。
利用無融合生殖技術(shù)，雜種優(yōu)勢將被“固定”下來，因?yàn)檫@些雜交種能夠自我克隆，可以為育種者和農(nóng)民持續(xù)提供高品質(zhì)、性狀一致的作物。這項(xiàng)技術(shù)也有望推動(dòng)小麥、大豆等作物的生產(chǎn)——這些作物因難以生產(chǎn)雜交種而一直面臨瓶頸。無融合生殖使選育這些作物的優(yōu)良品種成為可能，確保其性狀代代穩(wěn)定遺傳。
早在20世紀(jì)40年代，研究人員就已發(fā)現(xiàn)無融合生殖具有遺傳基礎(chǔ)。但直到90年代，Koltunow等學(xué)者才認(rèn)識到該特性并非取代有性繁殖。瑞士蘇黎世大學(xué)植物遺傳學(xué)家Ueli Grossniklaus認(rèn)為，這實(shí)質(zhì)上是“一種改變了的有性生殖途徑”。該途徑需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵突破：一是破壞形成卵細(xì)胞和精細(xì)胞的細(xì)胞分裂過程；二是使胚胎能夠不依賴受精過程獨(dú)立形成。Grossniklaus團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們通過人工誘變觀察是否會(huì)有突變株出現(xiàn)這些變化。
直到2009年，研究人員才成功地干擾了被稱為減數(shù)分裂的生殖細(xì)胞分裂過程，模擬出了自然無融合生殖植物的特性。當(dāng)時(shí)就職于法國凡爾賽國家農(nóng)業(yè)研究所的植物遺傳學(xué)家Raphael Mercier試圖探究有絲分裂（即細(xì)胞分裂成兩個(gè)完全相同的細(xì)胞這一簡單過程）是如何演變成更為復(fù)雜的減數(shù)分裂這一有性生殖關(guān)鍵過程的。減數(shù)分裂涉及兩次細(xì)胞分裂而非一次，形成的卵細(xì)胞和精細(xì)胞僅含半數(shù)染色體，從而在受精結(jié)合后恢復(fù)完整的染色體組。
以植物遺傳學(xué)研究模式生物擬南芥（一種小型十字花科植物）為研究對象，Mercier成功鑒定出一個(gè)關(guān)鍵基因，該基因參與了進(jìn)化過程中促使有絲分裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇p數(shù)分裂的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。隨后，他破壞了該基因以及減數(shù)分裂另外兩個(gè)關(guān)鍵基因，以驗(yàn)證減數(shù)分裂能否逆轉(zhuǎn)為有絲分裂。
“實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合預(yù)期，”現(xiàn)任德國科隆馬普植物育種研究所的Mercier表示。在由此獲得的三重突變株（命名為MiMe，意為“有絲分裂替代減數(shù)分裂”）的花器官中，精細(xì)胞與卵細(xì)胞通過簡單的有絲分裂而非復(fù)雜的減數(shù)分裂形成，使其攜帶與親本完全相同的染色體組。
Mercier立即意識到MiMe技術(shù)在植物無融合生殖工程化應(yīng)用中的潛力。他與同事相繼于2016年培育出MiMe水稻，2024年開發(fā)出MiMe番茄。這些植株雖能繁殖，但由于配子含有雙倍染色體，導(dǎo)致后代染色體數(shù)逐代倍增，生育力持續(xù)下降。這雖是邁向正確方向的重要一步，但僅解決了無融合生殖難題的一半。
Grossniklaus及其團(tuán)隊(duì)在玉米中發(fā)現(xiàn)了MiMe的替代方案。通過對60,000個(gè)突變體進(jìn)行篩選，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為non-reductive in female4（nrf4）的基因，當(dāng)該基因被破壞后，約三分之一的卵細(xì)胞會(huì)通過有絲分裂而非減數(shù)分裂形成。這項(xiàng)工作以及利用nrf4突變體在作物中首次獲得克隆種子的成果已申請專利保護(hù)。
02
孤雌生殖（Virgin birth）
無融合生殖的第二個(gè)關(guān)鍵組成部分是孤雌生殖，即胚胎直接由未受精的卵細(xì)胞發(fā)育而成，無需雄性參與。
2006年，佐治亞大學(xué)蒂夫頓分校的分子遺傳學(xué)家Peggy Ozias-Akins及其團(tuán)隊(duì)將注意力集中在天然無融合生殖植物狼尾草（Cenchrus squamulatus），認(rèn)為它很可能含有理想的無融合生殖候選基因。他們發(fā)現(xiàn)的這種基因與BABY BOOM基因相似，能誘發(fā)植物組織自發(fā)形成胚胎。但該團(tuán)隊(duì)耗時(shí)近十年才證實(shí)該基因在無融合生殖中的作用。他們將狼尾草基因?qū)胗行苑敝车恼渲樗冢≒ennisetumglaucum）后，發(fā)現(xiàn)胚胎確實(shí)能在未受精條件下自發(fā)發(fā)育。“這令人非常激動(dòng)，” Ozias-Akins表示。
與此同時(shí)，Sundaresan正從完全不同的方向研究BABY BOOM基因。他說：“我的實(shí)驗(yàn)室原本從未涉足無融合生殖的研究。”相反，他的團(tuán)隊(duì)正在尋找那些在從未受精的卵細(xì)胞轉(zhuǎn)變到能夠自主發(fā)育成胚胎這一關(guān)鍵過程中活躍的基因。
Sundaresan團(tuán)隊(duì)以水稻為研究對象，在授粉后數(shù)小時(shí)內(nèi)從單個(gè)卵細(xì)胞中提取RNA（活躍基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物），發(fā)現(xiàn)BABY BOOM基因的RNA表達(dá)豐富。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)BABY BOOM基因是胚胎發(fā)生的觸發(fā)因子，且該基因的活性RNA通過精子遞送至卵細(xì)胞中。隨后，Sundaresan與加州大學(xué)戴維斯分校的農(nóng)學(xué)家Imtiyaz Khanday合作證明精子參與并非必需——他們將一份BABY BOOM基因拷貝轉(zhuǎn)入卵細(xì)胞（該細(xì)胞自身的基因轉(zhuǎn)錄處于沉默狀態(tài)）并設(shè)定其在卵細(xì)胞中激活表達(dá)，成功啟動(dòng)了胚胎發(fā)生過程。
03
兩步合二為一（Putting it all together）
2016年，Sundaresan了解到MiMe水稻研究成果后，便與Mercier聯(lián)系尋求合作，希望將MiMe系統(tǒng)與BABY BOOM相結(jié)合。通過對含有卵細(xì)胞特異性激活BABY BOOM基因的水稻進(jìn)行MiMe相關(guān)基因的編輯，他們最終實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域長期追尋的目標(biāo)：培育出能夠自我克隆的無融合生殖水稻。盡管效率較低（僅10%-30%的種子為克隆產(chǎn)物），這項(xiàng)研究仍為在重要作物中整合無融合生殖兩大核心要素提供了原理驗(yàn)證。
通過無融合生殖技術(shù)培育克隆種子模式圖
2022年，Sundaresan、Khanday、Mercier等學(xué)者測試了可能成為未來標(biāo)準(zhǔn)的方案：通過單步操作創(chuàng)制克隆種子以固定雜交種優(yōu)勢。他們同時(shí)編輯三個(gè)基因構(gòu)建MiMe系統(tǒng)，并引入可在卵細(xì)胞中激活的BABY BOOM基因表達(dá)元件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅證實(shí)單步操作可行，更實(shí)現(xiàn)了效率躍升。在某些情況下，超過95%的可育種子均為克隆的雜交種。然而并非所有種子均具育性，無融合生殖植株產(chǎn)生的可育種子比雜交種減少了20%-40%。
Mercier表示：“這種減產(chǎn)可能會(huì)抵消合成無融合生殖的所有優(yōu)勢，技術(shù)必須達(dá)到極高效率。”2024年，中國研究團(tuán)隊(duì)通過添加增強(qiáng)BABY BOOM表達(dá)活性的基因序列，成功使無融合生殖水稻的育性與雜交種相當(dāng)。“就水稻而言，在我看來，這確實(shí)是一項(xiàng)具備商業(yè)化條件的技術(shù)。” Khanday評價(jià)道。
加州大學(xué)戴維斯分校VenkatesanSundaresan教授，因無融合生殖水稻的開創(chuàng)性工作榮獲2024年沃爾夫農(nóng)業(yè)獎(jiǎng)
04
把工具箱做大（Expanding the toolkit）
盡管水稻研究進(jìn)展迅速，但在非禾本科作物（包括重要的蔬菜和油料作物）中生產(chǎn)克隆種子的嘗試卻收效甚微。這正是科學(xué)家們致力于擴(kuò)展合成無融合生殖工具包的原因之一——他們正嘗試替換最初使用的三個(gè)MiMe基因，并尋找替代BABY BOOM的其他胚胎發(fā)生誘導(dǎo)因子。
2022年，荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(xué)的植物遺傳學(xué)家Charles J. Underwood及其同事在普通蒲公英（Taraxacum officinale）中發(fā)現(xiàn)了一種胚胎發(fā)生誘導(dǎo)因子。這個(gè)名為PARTHENOGENESIS（PAR）的基因與BABY BOOM毫無相似之處，但它能促使萵苣卵細(xì)胞在未受精情況下形成胚胎樣結(jié)構(gòu)，盡管無法發(fā)育成完整種子。令人驚訝的是，該基因在與蒲公英親緣關(guān)系甚遠(yuǎn)的、基因組中不存在對應(yīng)基因的水稻中同樣有效。當(dāng)與MiMe系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，便能成功產(chǎn)生克隆種子。
或許還存在更多無融合生殖基因。阿拉巴馬州亨茨維爾市哈德遜阿爾法生物技術(shù)研究所的植物遺傳學(xué)家Charity Goeckeritz正深入探索美國農(nóng)業(yè)部保存的龐大野生與栽培蘋果品種資源庫，致力于定位導(dǎo)致某些品種具有無融合生殖特性的基因。迄今為止，她已將搜索范圍縮小至蘋果基因組中不到3%的特定區(qū)域。“希望能在一年內(nèi)鎖定真正具有潛力的候選基因，”她表示。此外，她也在黑莓中尋找無融合生殖基因。
盡管實(shí)驗(yàn)室研究取得顯著進(jìn)展，但除Koltunow團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開展的無融合生殖高粱田間試驗(yàn)外，目前極少有合成無融合生殖作物進(jìn)入大田試驗(yàn)階段。
研究人員認(rèn)為，雖然尚未有任何合成無融合生殖作物通過嚴(yán)苛的監(jiān)管審查實(shí)現(xiàn)技術(shù)商業(yè)化，但這一目標(biāo)可能已為期不遠(yuǎn)。Koltunow表示，即使是標(biāo)準(zhǔn)品種或雜交種，育種家通常也需在三個(gè)以上生長季、多個(gè)地理區(qū)位進(jìn)行田間試驗(yàn)方能推向市場。在中國研究人員開展的MiMe與PAR系統(tǒng)雜交水稻案例中，這些無融合生殖品系與其雜交親本在性狀表現(xiàn)上相當(dāng)。
隨著合成無融合生殖作物逐漸具備與常規(guī)雜交品種競爭的實(shí)力，監(jiān)管機(jī)構(gòu)與消費(fèi)者將如何看待這項(xiàng)技術(shù)已成為關(guān)鍵問題。Mercier表示，大型跨國種子公司最有能力承擔(dān)這項(xiàng)技術(shù)所需經(jīng)歷的昂貴審批流程。
許多從事合成無融合生殖研究的學(xué)者仍持樂觀態(tài)度，他們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將擁有廣闊的發(fā)展前景，并最終惠及那些最無力承擔(dān)新技術(shù)成本的農(nóng)民群體。Koltunow表示，撒哈拉以南非洲可能成為無融合生殖作物首批登陸的市場之一。雖然高產(chǎn)雜交作物在全球許多農(nóng)業(yè)區(qū)的價(jià)格令人望而卻步，但無融合生殖技術(shù)將首次讓低收入農(nóng)民也能種植雜交品種。
Mercier表示，這項(xiàng)技術(shù)有望大幅提升可用雜交作物的數(shù)量與多樣性。在實(shí)踐中，這意味著無論低收入還是高收入國家，都能培育出適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的定制化雜交種子。
他將此比作15世紀(jì)古登堡機(jī)械化印刷機(jī)的發(fā)明：“就像從僅有一兩種書籍突然發(fā)展到百花齊放。”他強(qiáng)調(diào)，若無融合生殖作物獲得成功，必將引發(fā)雜交品種的類似爆發(fā)式增長，讓全球農(nóng)民都能受益于此。
參考文獻(xiàn)或相關(guān)報(bào)道
https://www.nature.com/articles/d41586-025-02753-x
https://caes.ucdavis.edu/news/plant-biologist-venkatesan-sundaresan-wins-2024-wolf-prize-agriculture
作者 | 綜合自iPlant等
編輯丨農(nóng)財(cái)君
聯(lián)系農(nóng)財(cái)君丨18565265490
新時(shí)代 新種業(yè)
南方農(nóng)村報(bào)丨農(nóng)財(cái)寶典
