4月3日，中國(guó)中化旗下先正達(dá)集團(tuán)北京創(chuàng)新中心科學(xué)家領(lǐng)銜，系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)單位參與的研究論文《向日葵單倍體孤雌生殖》，正式發(fā)布于《自然》（Nature）雜志。該論文首次闡述向日葵的單倍體卵細(xì)胞孤雌生殖現(xiàn)象，研究成果應(yīng)用將使向日葵品種選育時(shí)間縮短50%。

向日葵是全球第四大油料作物，2024年全球種植面積達(dá)2400萬(wàn)公頃、市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為405.9億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到470.8億美元。向日葵油品質(zhì)優(yōu)良，其中不飽和脂肪酸含量高達(dá)88%，被譽(yù)為“保健植物油”。

在傳統(tǒng)育種體系中，選育一顆向日葵優(yōu)質(zhì)良種，需要5至6年時(shí)間。中國(guó)中化科學(xué)家這一最新研究成果有望助力向日葵自交系選育縮短至3年，幾乎比傳統(tǒng)育種縮短一半時(shí)間。而且，新發(fā)現(xiàn)豐富了植物生殖發(fā)育理論，填補(bǔ)了卵細(xì)胞孤雌生殖發(fā)育研究中的空白，更為發(fā)育生物學(xué)后續(xù)研究開辟了全新的視角與方向，將有力推動(dòng)發(fā)育生物學(xué)理論的新進(jìn)展。

改寫植物生殖發(fā)育理論?

孤雌生殖也稱單性生殖，即卵細(xì)胞不經(jīng)過(guò)受精也能發(fā)育成正常的單倍型新個(gè)體。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，被子植物（具有果實(shí)包裹種子等核心特征的植物類群）必須通過(guò)精卵結(jié)合（形成胚胎）和精細(xì)胞與中央細(xì)胞結(jié)合（形成胚乳）完成繁殖（即，結(jié)出種子）。該研究首次證實(shí)，在特定遺傳背景下，向日葵卵細(xì)胞可繞過(guò)受精直接啟動(dòng)胚胎發(fā)育，且無(wú)須胚乳支持（實(shí)驗(yàn)中未觀察到胚乳自主發(fā)育）——這一發(fā)現(xiàn)突破了學(xué)界對(duì)植物生殖的認(rèn)知框架。

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《自然》評(píng)審人高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究的科學(xué)價(jià)值：“這是單倍體技術(shù)領(lǐng)域近十年來(lái)最具原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，為解析植物生殖‘開關(guān)’機(jī)制提供了關(guān)鍵材料?！?/p>

2016年，研究團(tuán)隊(duì)試圖用脂肪酸類化合物處理向日葵花粉和玉米花粉誘導(dǎo)向日葵遠(yuǎn)緣雜交，卻在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)雄性不育系向日葵未經(jīng)授粉竟結(jié)出種子。這個(gè)“異常信號(hào)”讓團(tuán)隊(duì)激動(dòng)不已，因?yàn)閭鹘y(tǒng)雙受精理論無(wú)法解釋這一現(xiàn)象。

為驗(yàn)證猜想，研究團(tuán)隊(duì)展開了一場(chǎng)“自我否定”的科研馬拉松。他們嘗試用菠菜、水稻甚至滅活花粉處理花朵，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中套袋隔離了上千朵花，每天凌晨五點(diǎn)趕在開花前人工去雄，團(tuán)隊(duì)成員曾花粉過(guò)敏到需要穿戴防護(hù)裝備“全副武裝”。最終，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)格隔絕授粉的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)證實(shí)，部分向日葵品系具備“卵細(xì)胞自主發(fā)育成單倍體種子”的能力。

經(jīng)過(guò)全球多地重復(fù)試驗(yàn)和顯微胚胎學(xué)驗(yàn)證，先正達(dá)科學(xué)家篩選出10個(gè)具有穩(wěn)定孤雌生殖能力的向日葵自交系。數(shù)據(jù)顯示，這些品系在無(wú)授粉條件下可以誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體種子，且經(jīng)染色體加倍后可育。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)9年的不懈努力，先正達(dá)集團(tuán)科學(xué)家終于在這一關(guān)鍵方向上取得重要突破。

此前，《自然》僅發(fā)表過(guò)3篇單倍體技術(shù)相關(guān)論文，且集中于玉米、小麥等主糧作物。作為全球第四大油料作物，向日葵的首個(gè)孤雌生殖模型，其理論突破更具產(chǎn)業(yè)指向性。?

雙單倍體技術(shù)引領(lǐng)育種革命

傳統(tǒng)向日葵育種需5至6年時(shí)間，而該研究成果有望將向日葵自交系選育縮短至3年。傳統(tǒng)雜交育種需經(jīng)多代自交純合，而孤雌生殖產(chǎn)生的雙單倍體（DH）植株可實(shí)現(xiàn)“一步純合”，直接固定優(yōu)良性狀。

目前，先正達(dá)集團(tuán)科研團(tuán)隊(duì)已構(gòu)建完整技術(shù)鏈條：從誘導(dǎo)單倍體種子、優(yōu)化萌發(fā)技術(shù)到染色體加倍方案，初步實(shí)現(xiàn)DH植株規(guī)模化生產(chǎn)。

近年來(lái)，中國(guó)中化在育種技術(shù)上相繼取得重大突破，充分彰顯了助力農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的決心與擔(dān)當(dāng)。此前，先正達(dá)集團(tuán)中國(guó)首席科學(xué)謝旗團(tuán)隊(duì)與8家國(guó)內(nèi)科研單位的學(xué)者們協(xié)同攻關(guān)，首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的耐鹽堿調(diào)控基因AT1。通過(guò)對(duì)該基因的操縱，可以顯著提高多種作物的鹽堿耐受性。

大田實(shí)驗(yàn)證明，該基因可有效提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量，在改良鹽堿地綜合利用中具有重大應(yīng)用前景。相關(guān)成果已于2023年3月24日發(fā)表在國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）雜志上。

未來(lái)，中國(guó)中化將進(jìn)一步推進(jìn)育種技術(shù)攻關(guān)工作，持續(xù)推動(dòng)科研成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，為我國(guó)種業(yè)發(fā)展添磚加瓦。