探秘向日葵繁殖新奥秘：二倍体无融合生殖系开启育种新征程

为解决向日葵因种植环境恶化导致的产量降低问题，研究人员开展了关于向日葵无融合生殖（Apomixis）的研究。他们发现二倍体向日葵 Rf975 能形成三倍体 BIII 后代，且后代无融合生殖水平增加，还存在非随机基因突变，这为向日葵育种提供了新方向。

　　在农业生产的大舞台上，向日葵作为重要的油籽作物，为食用油和生物柴油的供应贡献着关键力量。它就像一位坚强的战士，有着耐旱的特性，能在多种土壤条件下扎根生长。然而，当它 “进军” 土壤质量较差、农业生态压力大的地区时，却遭遇了产量大幅下降的困境。这可让植物育种家们愁坏了，如何培育出更能适应恶劣环境、品质更优、产量更高的向日葵品种，成了亟待攻克的难题。

在向日葵的育种历程中，杂交育种占据着重要地位，不过现有的杂交种子生产体系存在不少麻烦。比如，它依赖四个亲本系，亲本系的诸多关键性状会影响种子生产力，而且 F₁杂交优势在后续世代中会因基因分离而减弱，种子生产者不得不持续进行有性杂交来培育新种子，成本居高不下。在这样的背景下，无融合生殖（Apomixis）这种特殊的繁殖方式进入了研究人员的视野。它就像是植物繁殖界的 “神奇魔法”，能通过种子进行无性繁殖，要是能引入向日葵育种，那可不得了，不仅能省去反复有性杂交生产种子的繁琐过程，还能缩短新品种的培育时间。

来自阿根廷国立罗萨里奥大学农学院（Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Rosario）、阿根廷罗萨里奥农业科学研究所（Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario）等机构的研究人员，决心深入探索无融合生殖在向日葵中的奥秘。他们聚焦于一个二倍体向日葵品系 Rf975，这个品系可不简单，它能自然产生类似无孢子生殖无融合生殖胚囊（AES）的结构。研究人员带着一系列疑问展开研究：这些 AES 样配子体的本质是什么？它们是否具有活力？Rf975 能否产生克隆母系后代？

为了寻找答案，研究人员运用了多种技术方法。在实验材料上，他们选用了美国农业部农业研究局（USDAARS）发布的公共自交系 HA89 作为二倍体有性对照，以及阿根廷国立农业技术研究所（INTA）佩尔加米诺实验站培育的自交系 Rf975。通过图像分析技术，统计不同发育阶段向日葵的幼果和成熟种子数量；利用流式细胞术，测定植株的倍性水平；借助细胞胚胎学分析，观察胚囊和花粉的发育情况；采用基于 SNP 的子代测试和 MCSeED 方法，研究遗传和 DNA 甲基化特征。

研究结果令人眼前一亮。在 Rf975 的子代中，研究人员发现了大量三倍体 BIII 杂种胚胎。在幼果（R6 阶段）时期，Rf975 和 HA89 的估计子房数相似，可到了成熟种子（R8 阶段）时期，Rf975 产生的 viable seeds 比 HA89 少很多。对 R6 胚胎的流式细胞术分析显示，Rf975 中有 42.8% 的胚胎是三倍体，而 HA89 中未检测到。这表明 Rf975 能产生非减数的雌配子体，并且这些配子体受精后可形成有活力的三倍体后代。

进一步研究发现，Rf975 产生的三倍体后代具有独特的表型特征。和二倍体相比，它们的种子产量明显降低，达到 R1 阶段的天数略微减少。细胞胚胎学分析表明，所有研究的三倍体植株都至少有一个胚珠含有一个或多个 AES，平均有 61.9% 的胚珠表现出 AES，而二倍体 Rf975 植株中只有 10% 的植株有此现象，且大多数三倍体植株的花粉存在异常。

在探索 Rf975 是否能完成完整的无融合生殖过程时，研究人员进行了基于 SNP 的子代测试。他们让 Rf975 与 HA89 杂交产生 F₁杂种，再让 F₁杂种自交得到 F₂代。通过分析 F₂代植株的遗传特征，发现没有 F₂个体的遗传模式与 F₁完全相同，这说明 Rf975 虽然能形成非减数胚囊，但无法完成孤雌生殖，不能被归类为无融合生殖体。不过，由于测试的 F₂个体数量有限，不能完全排除二倍体 Rf975 存在低水平无融合生殖（低于 18%）的可能性。

此外，研究人员利用 MCSeED 数据比较不同植株的遗传和 DNA 甲基化特征，发现了一些有趣的现象。在多倍体化过程中，出现了一些反复发生的（表观）基因突变。例如，鉴定出 6 个仅在三倍体中出现或缺失的基因组位点，主要与移动元件相关；还发现 241 个 SNP 标记在所有三倍体重复样本中呈现意外的纯合模式，这些突变主要集中在向日葵 12 号染色体上，部分突变发生在与胁迫响应和疾病抗性相关的基因中。

综合研究结果，研究人员得出结论：二倍体向日葵 Rf975 能形成三倍体 BIII 杂种，且三倍体中无孢子生殖的表达和外显率均高于二倍体；同时，鉴定出了在从二倍体到三倍体的倍性变化中反复突变的遗传 / 表观遗传序列。不过，在三倍体水平上是否存在无融合生殖（即形成有活力的克隆后代）仍有待进一步研究，目前根据 MCSeED 子代测试，二倍体 Rf975 产生母系种子的水平不超过 18% 。

这项研究意义重大，为向日葵在更高倍性水平（如四倍体）的性状表征提供了重要参考，也为未来利用无融合生殖进行向日葵育种的研究奠定了基础。探索不同倍性 Rf975 植株中与无融合生殖表达相关的基因和调控途径，将为向日葵育种策略的制定提供宝贵的思路，有望助力培育出更具优势的向日葵品种，在农业生产中发挥更大的作用。

研究人员通过图像分析、流式细胞术、细胞胚胎学分析、基于 SNP 的子代测试和 MCSeED 等技术方法，选用 HA89 和 Rf975 作为实验材料，对向日葵的无融合生殖现象展开研究。这些技术相互配合，从不同角度揭示了向日葵无融合生殖的奥秘，为研究结果的准确性和可靠性提供了有力保障。