鹰嘴豆PpPAR基因诱导杂交水稻合成无融合生殖的突破性研究

为解决杂交水稻后代性状分离问题，中国农业科学院水稻研究所王克剑团队通过鹰嘴豆PpPAR基因的异位表达，结合MiMe系统，成功在杂交稻CY84中实现合成无融合生殖（apomixis），克隆效率高达84.6%。该研究为固定杂交优势提供了新策略，发表于《Plant Communications》。

　　

论文解读

19世纪，孟德尔通过豌豆杂交实验揭示了遗传学基本规律，却在鹰嘴豆（Hieracium）中发现了“恒定杂交种”的例外现象。这一谜题直到20世纪初才被Ostenfeld破解——鹰嘴豆通过无融合生殖（apomixis）绕过减数分裂和受精过程，直接产生克隆后代。现代遗传学研究证实，鹰嘴豆的无融合生殖由LOA（LOSS OF APOMEIOSIS）和LOP（LOSS OF PARTHENOGENESIS）两个显性位点控制，其中LOP位点的PpPAR基因与蒲公英ToPAR具有相似结构和功能，能跨物种诱导孤雌生殖。然而，PpPAR在作物中的应用潜力尚未充分开发。

中国农业科学院水稻研究所王克剑团队在《Plant Communications》发表研究，首次证实鹰嘴豆PpPAR基因可诱导杂交水稻合成无融合生殖。研究人员利用拟南芥卵细胞特异性启动子pDD45驱动PpPAR在杂交稻CY84中表达，构建了单倍体诱导系统（ee-PP），并通过与MiMe（Mitosis instead of Meiosis）模块组合创建了Fix5系统。关键技术包括：卵细胞特异性表达载体构建、流式细胞术倍性分析、全基因组重测序验证杂合性，以及定量PCR检测基因表达。

研究结果
PpPAR诱导单倍体形成
通过pDD45::PpPAR转化获得13个ee-PP株系，其营养生长与野生型（WT）无差异，但结实率显著降低至47.1%-60.9%（WT为71.2%）。利用12个InDel标记对2435株T₁代植株基因分型，发现11株完全纯合的单倍体，经流式细胞术和全基因组测序确认（图1D-E）。单倍体植株表现为矮化、小穗和花粉不育等典型特征（图1F），单倍体诱导率（HIR）为0.5%-1.5%。

Fix5系统实现杂合性固定
将PpPAR与MiMe（PAIR1、REC8、OSD1三突变）结合构建的Fix5株系，结实率降至52.1%-59.6%（WT 78.4%）。流式细胞术显示T₀代42-55株为二倍体，全基因组测序证实其染色体杂合性与CY84完全一致（图1K）。T₁代克隆效率达21.2%-84.6%，且表型与WT相似（图1N），但结实率略低（64.1%-72.6% vs WT 84.1%）。定量PCR表明克隆效率与PpPAR表达量正相关（Fix5-9表达量是Fix5-13的2.3倍）。

结论与意义
该研究首次证实鹰嘴豆PpPAR具有孤雌生殖功能，其与MiMe组合的Fix5系统能高效产生克隆种子，突破性地解决了杂交稻后代性状分离难题。尽管当前系统存在结实率偏低的问题，但通过优化启动子或联合其他孤雌生殖因子（如OsBBM1）可进一步提升效率。这项研究不仅揭示了孟德尔时代遗留的鹰嘴豆生殖之谜的分子机制，更为作物杂种优势固定提供了可推广的技术路线，对全球粮食安全具有深远影响。