侯艷紅，龔桂芝，彭祝春，董倩倩，羅艾，洪棋斌

·綜 述·

MIME——有絲分裂替代減數(shù)分裂及其在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用

侯艷紅，龔桂芝，彭祝春，董倩倩，羅艾，洪棋斌

西南大學(xué)柑桔研究所 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑桔研究所國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400712

無(wú)融合生殖因其在雜種優(yōu)勢(shì)固定中的巨大潛力而受到廣泛關(guān)注，人工創(chuàng)制無(wú)融合生殖是當(dāng)前無(wú)融合生殖研究的重要方向，有絲分裂替代減數(shù)分裂(Mitosis instead of Meiosis，MIME) 能產(chǎn)生與母本遺傳組成完全一致的二倍體配子，是人工創(chuàng)制無(wú)融合生殖的關(guān)鍵步驟。文中對(duì)MIME的發(fā)生及其在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用以及MIME應(yīng)用中的問(wèn)題進(jìn)行綜述，以期為擴(kuò)大MIME在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用提供參考。

無(wú)融合生殖，有絲分裂替代減數(shù)分裂，雜種優(yōu)勢(shì)，二倍體配子，作物

有絲分裂(Mitosis) 是基因組一次復(fù)制后，濃縮的染色體在紡錘絲的牽引下平均分配到兩個(gè)子代細(xì)胞，每個(gè)子代細(xì)胞具有與母細(xì)胞完全一樣的遺傳物質(zhì)，它保證了細(xì)胞增殖過(guò)程中遺傳的穩(wěn)定。減數(shù)分裂(Meiosis) 則是基因組一次復(fù)制后，連續(xù)兩次分裂，第一次染色體倍數(shù)減半，第二次姊妹染色單體等分，最后形成4個(gè)子代細(xì)胞，每個(gè)子代細(xì)胞僅具有母細(xì)胞一半的遺傳物質(zhì)，由于同源染色體間的交換重組，子代細(xì)胞的遺傳物質(zhì)產(chǎn)生差異，其融合后代導(dǎo)致生殖的遺傳多樣性[1]。有絲分裂和減數(shù)分裂是在發(fā)生時(shí)機(jī)和功能上分隔的兩個(gè)過(guò)程，然而許多植物能通過(guò)調(diào)控減數(shù)分裂配子的形成過(guò)程而產(chǎn)生未減數(shù)配子，使其減數(shù)分裂過(guò)程類似于有絲分裂，MIME (Mitosis instead of Meiosis) 是人為構(gòu)建第一次染色單體等分，第二次減數(shù)分裂跳過(guò)的無(wú)融合減數(shù)分裂突變體[2]，構(gòu)建MIME突變體的生物工程技術(shù)，已成為研究工作者創(chuàng)制無(wú)融合生殖的有力“工具”。

無(wú)融合生殖因產(chǎn)生基因型與母本完全一致的種子，所以在固定雜種優(yōu)勢(shì)、提高育種效率、降低制種成本方面有著巨大潛力[3-4]，被譽(yù)為雜交育種界的“無(wú)性生殖革命”[5]。根據(jù)胚的來(lái)源途徑可將無(wú)融合生殖分為兩種類型，一種是由未減數(shù)胚囊形成無(wú)融合胚的配子體無(wú)融合生殖，另一種是由胚珠內(nèi)珠心細(xì)胞直接形成一個(gè)或者多個(gè)胚的孢子體無(wú)融合生殖，也稱為珠心胚現(xiàn)象[6]。國(guó)外對(duì)無(wú)融合生殖的研究主要集中在配子體無(wú)融合生殖上，研究工作者曾對(duì)天然存在配子體無(wú)融合生殖現(xiàn)象的禾本植物[7-10]進(jìn)行研究，篩選出與無(wú)融合生殖相關(guān)的一段基因重組抑制區(qū)，并試圖通過(guò)雜交將該區(qū)域引進(jìn)其各自的近緣栽培品種中[11]，但都沒(méi)有成功。孢子體無(wú)融合生殖的研究主要以柑橘類植物為模式植物，但由于采用不同的雜交材料得到不同的雜交分離結(jié)果，因此對(duì)于珠心胚的遺傳控制位點(diǎn)一直存在爭(zhēng)議，有單基因、單主基因加微效多基因以及雙基因等多種調(diào)控理論假說(shuō)[12-14]。我們團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期跟蹤無(wú)融合生殖，以柑橘對(duì)無(wú)融合生殖進(jìn)行研究，希望將其無(wú)融合生殖機(jī)制或機(jī)理拓展到重要糧油作物的雜種優(yōu)勢(shì)固定，提出了柑橘類植物中無(wú)融合生殖的雙基因調(diào)控假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為柑橘無(wú)融合生殖可能受位于細(xì)胞核的兩對(duì)互補(bǔ)的顯性基因調(diào)控，且其中一對(duì)基因存在顯性純合致死效應(yīng)，該假說(shuō)能解釋已有的大部分柑橘雜交分離數(shù)據(jù)[14]。通過(guò)遺傳分離群體分析和無(wú)融合生殖突變材料的RNA-seq分析，我們定位了一些QTL位點(diǎn)和候選基因，并且在柑橘和煙草中開(kāi)展了部分候選基因的轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證工作。

有關(guān)無(wú)融合生殖的遺傳機(jī)制研究仍未取得決定性進(jìn)展[15-16]，人工創(chuàng)制無(wú)融合生殖則成為突破無(wú)融合生殖壁壘的另一種有效方法[17]。目前人工創(chuàng)制無(wú)融合生殖主要從配子體無(wú)融合生殖入手，創(chuàng)制需滿足3個(gè)要素，第一是植物體中減數(shù)分裂的缺失與改變，即無(wú)融合減數(shù)分裂；第二是卵細(xì)胞不受精的獨(dú)立發(fā)育，即孤雌生殖；第三是胚乳的正常啟動(dòng)發(fā)育[18]，其中無(wú)融合減數(shù)分裂是構(gòu)建無(wú)融合生殖的先決條件。MIME作為一種人造無(wú)融合減數(shù)分裂突變體，產(chǎn)生與母本基因型完全一致的功能性配子，成功解決了自然發(fā)生的未減數(shù)配子發(fā)生頻率低且育性不穩(wěn)定的問(wèn)題，將MIME與孤雌生殖相結(jié)合即可獲得無(wú)融合生殖的種子，成功創(chuàng)制無(wú)融合生殖。MIME是打開(kāi)人工創(chuàng)制無(wú)融合生殖大門的鑰匙，對(duì)MIME的基因及發(fā)生機(jī)制的研究，有利于將MIME擴(kuò)大到更多栽培作物中，對(duì)農(nóng)業(yè)雜交育種有著重要意義。文中對(duì)MIME的發(fā)生及其在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用以及MIME應(yīng)用中遇到的問(wèn)題進(jìn)行討論綜述，并對(duì)MIME在作物中的擴(kuò)展和對(duì)無(wú)融合研究的推動(dòng)進(jìn)行了展望。

1 MIME的產(chǎn)生

自然界中存在產(chǎn)生未減數(shù)配子的自發(fā)突變體，根據(jù)減數(shù)分裂突變發(fā)生的時(shí)期，產(chǎn)生未減數(shù)配子的減數(shù)分裂突變被分為“第一次分裂重組” (FDR, the first division restitution) 和“第二次分裂重組” (SDR, the second division restitution)[19]。擬南芥的(,) 和(,) 編碼維持花粉母細(xì)胞第二次減數(shù)分裂過(guò)程中的紡錘體構(gòu)象的功能蛋白，它們的缺失突變導(dǎo)致二倍體雄性配子的形成，屬于SDR突變，但由于它們的精子細(xì)胞中存在同源重組的基因標(biāo)記，因此并不是真正的克隆配子[20-22]。第一次觀察到真正的無(wú)融合減數(shù)分裂是在擬南芥DYAD突變體中，DYAD編碼一種進(jìn)入減數(shù)分裂所必需的核纏繞蛋白，缺失該基因?qū)е聹p數(shù)分裂轉(zhuǎn)化為有絲分裂，從而產(chǎn)生未減數(shù)分裂的配子[23-24]。但DYAD突變體只產(chǎn)生0.2%的可育未減數(shù)雌性配子，遠(yuǎn)低于育種應(yīng)用所需頻率。直到d’Erfurth等[2]將擬南芥中影響關(guān)鍵減數(shù)分裂過(guò)程的3個(gè)基因突變相結(jié)合，人為構(gòu)建了減數(shù)分裂被有絲分裂取代的MIME突變體。與DYAD相比，MIME產(chǎn)生了更高頻率(雄配子100%和雌配子85%) 的未減數(shù)配子，且MIME植株育性不受影響，此后又有報(bào)道在水稻L.中成功構(gòu)建MIME[25]。

MIME的形成是對(duì)減數(shù)分裂區(qū)別有絲分裂的 3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)同時(shí)破壞，即把同源染色體之間配對(duì)和重組、第一次減數(shù)分裂時(shí)姐妹染色單體不分離、一次DNA復(fù)制后發(fā)生兩次分裂3個(gè)點(diǎn)同時(shí)突變，使減數(shù)分裂過(guò)程類似于有絲分裂，產(chǎn)生的配子保留了母本所有的遺傳信息，從而完成無(wú)融合生殖三要素中最關(guān)鍵的無(wú)融合減數(shù)分裂過(guò)程。值得注意的是，許多基因在細(xì)胞分裂周期中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，一旦缺失可能引起有絲分裂的終止或育性的嚴(yán)重?fù)p害，因此選擇合適的基因構(gòu)建MIME突變體則顯得尤為重要。擬南芥是最早成功構(gòu)建MIME的物種，且是植物染色體行為研究的模式植物，因此本文主要以構(gòu)建擬南芥MIME突變的、和三基因突變?yōu)橹鳎治鲈贛IME產(chǎn)生過(guò)程中染色體的行為變化，參見(jiàn)圖1。

1.1 spo11-1突變阻斷同源染色體配對(duì)與重組

釀酒酵母H.Spo11蛋白是古菌DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Via亞基(topo Via) 的真核同源物，介導(dǎo)DNA雙鏈斷裂，從而啟動(dòng)減數(shù)分裂重組[26]。Grelon等[27]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)Spo11蛋白的3個(gè)同源基因、和，遺傳學(xué)證據(jù)表明是釀酒酵母的真正的同源體，也是減數(shù)分裂重組所必需的基因。在擬南芥中構(gòu)建MIME時(shí)，選擇突變基因來(lái)阻斷第一次減數(shù)分裂時(shí)同源染色體重組互換，為產(chǎn)生與母本基因型一致的配子打下基礎(chǔ)。此外，參與DNA雙鏈重組修復(fù)過(guò)程的基因眾多，、、、、和等都有相關(guān)功能的研究報(bào)道[28-29]，Mieulet等[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)() 突變能夠替代在擬南芥中阻斷同源重組而產(chǎn)生MIME突變體。水稻是減數(shù)分裂重組啟動(dòng)中必需的基因[30]，它的缺失突變能在水稻中重現(xiàn)擬南芥突變現(xiàn)象，是在構(gòu)建水稻MIME表型時(shí)阻斷同源重組的首選。

1.2 rec8突變致使姐妹染色單體提前分離

第一次減數(shù)分裂成功的決定條件之一是同源染色體配對(duì)，并成功向細(xì)胞的兩極移動(dòng)分離。這一過(guò)程的完成需要第一次減數(shù)分裂中期的姐妹染色單體定向到同極，且在第二次減數(shù)分裂后期之前保持著絲粒的凝聚力。減數(shù)分裂凝集亞基Rec8是保持著絲粒凝聚力的關(guān)鍵分子之一，Rec8亞基的缺失會(huì)導(dǎo)致著絲粒凝聚力下降，姐妹染色單體提前分離[31]。在擬南芥中突變基因，致使姐妹染色體提前分離且不平衡分配到兩極，破壞了第一次減數(shù)分裂過(guò)程，使其與有絲分裂相接近，而破壞第一次減數(shù)分裂正是構(gòu)建MIME表型中非常重要的一環(huán)。是目前已知的另一控制姐妹染色單體單極定向所必需的基因，除在減數(shù)分裂中起作用以外，還是有絲分裂正常發(fā)生所必需的基因[32]，它的突變會(huì)導(dǎo)致有絲分裂畸形而影響后代的正常生長(zhǎng)發(fā)育。因此，目前暫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能替代在MIME中發(fā)揮相同功能的基因。

圖1 MIME產(chǎn)生過(guò)程染色體變化示意圖(d’Erfurth等[2])

1.3 osd1突變導(dǎo)致第二次減數(shù)分裂的跳躍

相較于上述兩種產(chǎn)生FDR的基因功能鑒定，導(dǎo)致SDR突變的基因發(fā)現(xiàn)得更晚一些，突變會(huì)導(dǎo)致第二次減數(shù)分裂過(guò)程跳過(guò)。d’Erfurth等[2]使用基因表達(dá)譜分析工具在擬南芥中篩選出與已知的減數(shù)分裂基因的表達(dá)模式相似的候選基因，對(duì)該基因的功能研究發(fā)現(xiàn)，純合突變體無(wú)任何體細(xì)胞發(fā)育缺陷，雌雄配子育性也與野生型相當(dāng)，但在突變體自交后代中，會(huì)產(chǎn)生大量的四倍體和少量的三倍體植株，無(wú)二倍體植株。當(dāng)突變花粉用于野生型植物受精時(shí)，其后代均為三倍體，突變胚珠與野生型花粉受精時(shí)，分離得到12%的二倍體和88%的三倍體植株，這些結(jié)果表明基因的缺失能產(chǎn)生高頻率的二倍體配子。對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程中染色體行為觀察發(fā)現(xiàn)，突變體是由于第二次減數(shù)分裂過(guò)程的跳躍而產(chǎn)生了二倍體配子。基因突變?cè)诓粨p害配子育性的基礎(chǔ)上，導(dǎo)致第二次減數(shù)分裂過(guò)程跳過(guò)，使得配子倍性增加，是構(gòu)建MIME表型中起決定性作用的一環(huán)。

同樣是d’Erfurth團(tuán)隊(duì)利用編碼減數(shù)分裂必需周期蛋白的基因突變代替突變[33]，成功在擬南芥中構(gòu)建了MIME-2表型，但由于并不是完全的顯性突變[34]，MIME-2植物在產(chǎn)生功能性二倍體配子的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生少量的單倍體和非整倍體配子，且MIME-2植株的育性水平也低于野生型或單突變型，因此在擬南芥中，是比構(gòu)建MIME突變體更好的選擇。在擬南芥中有一個(gè)的旁系同源基因[35-36]，和均參與細(xì)胞周期調(diào)控，但是維持有絲分裂狀態(tài)所必需的，因此不能用于構(gòu)建MIME突變型植株。Mieulet等[25]利用同源性分析在水稻中找到與擬南芥基因同源的基因，發(fā)現(xiàn)該基因的插入突變會(huì)在水稻中重現(xiàn)擬南芥突變，導(dǎo)致第二次減數(shù)分裂的跳躍，因此將基因命名為，并結(jié)合水稻中的和成功在水稻中建立MIME突變體。

1.4 基因間的相互作用

在先前的研究報(bào)道中，擬南芥雙突變體的第一次減數(shù)分裂被一個(gè)類似于有絲分裂的過(guò)程所取代，隨后是染色體不平衡分配的第二次分裂，導(dǎo)致配子嚴(yán)重不育[32]。但將阻止第二次減數(shù)分裂的突變與破壞第一次減數(shù)分裂的相結(jié)合，基因突變抑制了雙突變體的染色體不平衡分配，使三突變體中產(chǎn)生了減數(shù)分裂被有絲分裂取代且遺傳信息與母本完全一致的可育無(wú)融合配子。

在水稻中也有相似的發(fā)現(xiàn)，Mieulet等[25]在對(duì)水稻、和單突變體篩選雜交獲得三重突變體的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單突變體在減數(shù)分裂中期出現(xiàn)糾纏的DNA團(tuán)，隨后出現(xiàn)染色體斷裂和不平衡分離。但在雙突變體中，染色體斷裂和不平衡分配的現(xiàn)象卻消失了，說(shuō)明能夠消除的染色體斷裂且改變了染色體分配模式，這兩個(gè)基因之間具有一定的修正互補(bǔ)作用，但這種雙突變體產(chǎn)生的仍然是嚴(yán)重不育的配子，而突變能彌補(bǔ)雙突變體產(chǎn)生不育配子的特點(diǎn)，在水稻中產(chǎn)生高頻率的可育無(wú)融合配子。

2 MIME在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用

由于MIME產(chǎn)生的克隆配子參與正常的自受精會(huì)產(chǎn)生倍性加倍的后代，因此要獲得正常的無(wú)融合生殖種子，還必須防止染色體加倍。啟動(dòng)MIME配子發(fā)育成為單倍體植株，是MIME引入作物雜交育種的關(guān)鍵。

Marimuthu等[37]通過(guò)將擬南芥染色體消除突變體系GEM和擬南芥MIME系進(jìn)行正反交，篩選出包括二倍體、三倍體和非整倍體的F1代無(wú)性系，在二倍體種子后代當(dāng)中，分別有98%和42%的二倍體植株保留MIME株系的雜合性，證明通過(guò)MIME獲得無(wú)融合種子是可行的。

中國(guó)水稻研究所王春等[38]利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在水稻春優(yōu)84中敲除三個(gè)內(nèi)源基因構(gòu)成MIME的基礎(chǔ)上，還對(duì)編碼花粉特異性磷脂酶的()基因進(jìn)行了敲除，該基因能誘導(dǎo)玉米和水稻單倍體的發(fā) 生[39-42]，最終的四重突變體植株產(chǎn)生了大量的四倍體與二倍體種子，二倍體克隆種子獲得率為6.2%。該四重突變體在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段表現(xiàn)正常，但和誘導(dǎo)父系基因組消除的基因單突變植株相似，它的育性顯著下降。雖然存在育性下降的缺陷，但他們的研究是在不引入雜交授粉的基礎(chǔ)上，將MIME與水稻無(wú)融合生殖相結(jié)合的成功案例，是MIME應(yīng)用中的一項(xiàng)重大突破。

同樣是在水稻當(dāng)中，Khanday等[43]將能誘導(dǎo)珍珠粟(L.) Leeke.孤雌生殖的() 基因[44]與水稻MIME相結(jié)合，成功獲得了無(wú)融合水稻種子。Anderson等[45]曾對(duì)水稻合子轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)，在受精后的受精卵中特異表達(dá)，表明在受精卵胚胎發(fā)生過(guò)程中具有潛在的作用，Khanday等[43]對(duì)水稻的家族基因跟進(jìn)研究發(fā)現(xiàn)，、、基因三重突變體植株的胚胎發(fā)育異常，更重要的是，在這個(gè)三重突變體里引入基因，又能重啟胚胎發(fā)育，同時(shí)超表達(dá)基因能引起水稻的孤雌生殖。這些結(jié)果證實(shí)是啟動(dòng)胚胎發(fā)育的“開(kāi)關(guān)”，也正是MIME應(yīng)用研究中所需的孤雌生殖“開(kāi)關(guān)”。隨后研究人員將這一開(kāi)關(guān)引入MIME植株，在超表達(dá)株系中敲除、、基因，獲得兩株S-Apo (MIME+bbm1ee) 轉(zhuǎn)基因植株，從中獲得頻率分別為11%和29%的無(wú)融合生殖種子后代，但與野生型相比，S-Apo植株的育性也存在顯著下降。

3 MIME技術(shù)在當(dāng)前應(yīng)用中存在的問(wèn)題

3.1 MIME的應(yīng)用擴(kuò)展

目前只在擬南芥和水稻中成功獲得MIME植株，如何將其擴(kuò)大到更多的物種是當(dāng)前MIME應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題。減數(shù)分裂基因在真核生物中通常是比較保守的，因此利用模式植物擬南芥相應(yīng)的同源基因推廣到其他物種當(dāng)中是比較可行的辦法，但在不同物種之間也存在減數(shù)分裂機(jī)制不同的情況。比如大多數(shù)單子葉植物在每次減數(shù)分裂之后都會(huì)發(fā)生胞質(zhì)分裂，而雙子葉植物通常在第二次減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生胞質(zhì)分裂[46]，這暗示著在不同植物之間可能存在不同的分裂機(jī)制。此外，控制細(xì)胞分裂周期的基因有可能在植物中存在多個(gè)拷貝，比如在大麥、油菜中是單一基因，而在玉米L.、高粱和狗尾草中卻表現(xiàn)為串聯(lián)重復(fù)[32]，因此在構(gòu)建MIME表型時(shí)需要使用RNAi或基因組編輯技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)突變，增加了一定的操作難度。這些相關(guān)的證據(jù)表明植物基因組具有高度復(fù)雜性，因此將MIME應(yīng)用擴(kuò)大時(shí)不能完全依賴于同源基因的功能識(shí)別，還需要在特定感興趣的作物上進(jìn)行表型驗(yàn)證。

3.2 孤雌生殖

MIME只完成了產(chǎn)生無(wú)融合配子的過(guò)程，要達(dá)到以種子進(jìn)行無(wú)性繁殖的目的，還需要通過(guò)無(wú)融合配子的孤雌生殖或與能誘導(dǎo)基因組消除的著絲粒特異組蛋白CENH3突變系雜交產(chǎn)生自主發(fā)育胚胎。找到調(diào)控胚胎發(fā)育的關(guān)鍵基因，誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生孤雌生殖，無(wú)疑是比引入雜交更為理想的獲得無(wú)融合種子的方式，但目前對(duì)孤雌生殖機(jī)制的研究一直未取得較大進(jìn)展。和是當(dāng)前少數(shù)明確能夠控制孤雌生殖的兩個(gè)基因，在玉米和水稻中都有促進(jìn)單性繁殖的報(bào)道[44,47-48]，但和都會(huì)導(dǎo)致突變體植株生育力嚴(yán)重下降，這在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上是致命的缺陷。此外，系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析顯示，基因在單子葉的谷類作物中高度保守，但未在雙子葉植物中找到同源基因[40]，因此，孤雌生殖誘導(dǎo)技術(shù)不具有廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。并且這兩種孤雌生殖誘導(dǎo)單倍體后代產(chǎn)生的頻率都比較低，極大地限制了克隆繁殖的效率。

CENH3系誘導(dǎo)基因組消除技術(shù)是當(dāng)前在擬南芥中運(yùn)用比較成熟的單倍體誘導(dǎo)技術(shù)[49-50]，但除能在玉米中誘導(dǎo)較低頻率的單倍體種子外[51]，在其他物種中成功應(yīng)用的研究仍少見(jiàn)報(bào)道，且因其需依賴授粉過(guò)程才能產(chǎn)生克隆種子后代的特點(diǎn)，不利于無(wú)融合種子的產(chǎn)生與商業(yè)推廣。因此改進(jìn)孤雌生殖技術(shù)將會(huì)是無(wú)融合育種研究中的一個(gè)重要方向。

3.3 胚乳發(fā)育

MIME產(chǎn)生無(wú)融合配子，孤雌生殖使無(wú)融合配子啟動(dòng)胚胎發(fā)育，除此以外，還需要胚乳的啟動(dòng)發(fā)育以保證種子的形成。在誘導(dǎo)MIME植株產(chǎn)生無(wú)融合種子的水稻體系中，導(dǎo)入基因胚胎雖然會(huì)啟動(dòng)發(fā)育，但由于沒(méi)有受精形成胚乳，胚胎發(fā)育提前終止[43]，因此它們的二倍體無(wú)融合種子仍然是通過(guò)自花授粉所獲得。與孤雌生殖啟動(dòng)胚胎發(fā)育類似，自然界也存在許多特殊的形成胚乳的情況，比如在山柳菊以及龍須草(Rotz)C.E Hubb.中發(fā)現(xiàn)，其胚乳能夠由極核不經(jīng)受精作用自主分裂發(fā)生[52]，若將該胚乳自主發(fā)生機(jī)制與當(dāng)前的無(wú)融合分裂與孤雌生殖技術(shù)相結(jié)合，將能完成徹底不經(jīng)受精即產(chǎn)生無(wú)融合種子的無(wú)性革命。但目前對(duì)無(wú)融合生殖的胚乳發(fā)育機(jī)制還知之甚少，對(duì)無(wú)融合生殖植物中胚乳發(fā)育分子機(jī)制的研究還有很長(zhǎng)的路要走。

4 總結(jié)與展望

MIME的產(chǎn)生是無(wú)融合生殖研究中的一項(xiàng)重大突破，將它產(chǎn)生的功能性無(wú)融合配子與孤雌生殖技術(shù)相結(jié)合，能在有性植物中進(jìn)行無(wú)性克隆繁殖，對(duì)雜交育種具有重要意義。運(yùn)用MIME已成功在擬南芥和水稻中獲得無(wú)融合二倍體種子，是基因工程創(chuàng)制無(wú)融合生殖的重要里程碑事件。植物中存在許多與生殖發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵基因，目前我們所了解到的僅是其中一小部分，可能還存在很多能引起減數(shù)分裂抑制而不影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的基因，對(duì)這些基因進(jìn)行探索將會(huì)是MIME未來(lái)研究的方向。

玉米是當(dāng)前的單倍體誘導(dǎo)技術(shù)研究得最多且應(yīng)用也最為廣泛的作物[53-55]，將其成熟的單倍體誘導(dǎo)技術(shù)與MIME相結(jié)合，有望對(duì)玉米雜交育種產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用。雖然目前還沒(méi)有在玉米中成功構(gòu)建MIME的研究報(bào)道，但玉米中多個(gè)減數(shù)分裂突變體的功能變化暗示MIME的構(gòu)建是可行的。玉米中含有與擬南芥同源的基因，該基因突變同樣使姐妹染色單體提前分離[56]。此外，玉米中的同源基因也被成功地克隆和鑒定[57]，但玉米的基因有多個(gè)拷貝，暫未鑒定出與控制細(xì)胞周期相關(guān)的主效基因[58]，而玉米的基因突變體通過(guò)跳過(guò)第二次減數(shù)分裂，產(chǎn)生功能性二倍體胚囊[59]，表現(xiàn)出與水稻、擬南芥基因突變相似的變化。對(duì)玉米中的、、三個(gè)基因同時(shí)突變構(gòu)建MIME突變體，對(duì)于玉米的無(wú)融合生殖構(gòu)建具有重要意義，不過(guò)能否在玉米中重現(xiàn)MIME還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

有學(xué)者曾提出，無(wú)融合生殖的發(fā)生過(guò)程是有性通路時(shí)空表達(dá)改變的結(jié)果，這一過(guò)程會(huì)招募有性生殖相關(guān)基因的表達(dá)[11]。通過(guò)人為調(diào)控這些基因，能在非自然無(wú)融合物種中將有性途徑轉(zhuǎn)換為無(wú)融合途徑，MIME的構(gòu)建正是對(duì)有性生殖關(guān)鍵基因的修改，再結(jié)合孤雌生殖將有性生殖的種子變成了無(wú)融合生殖種子，是對(duì)無(wú)融合生殖是疊加在有性途徑上這一觀點(diǎn)的印證。下一步對(duì)產(chǎn)生MIME的基因之間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，以MIME作為突破口將能給無(wú)融合生殖發(fā)生的分子機(jī)理探究提供依據(jù)。

與MIME創(chuàng)制的配子體無(wú)融合生殖相比，以柑橘為代表的孢子體無(wú)融合生殖具有明顯不同的發(fā)生和遺傳控制機(jī)制，其研究無(wú)論從材料獲得、研究基礎(chǔ)和遺傳控制過(guò)程等考量均相對(duì)更簡(jiǎn)單，柑橘無(wú)融合生殖基因的利用不需要考慮復(fù)雜的胚乳發(fā)生機(jī)制等問(wèn)題，而且更貼近水稻、油菜等重要二倍體糧油作物。若能將孢子體無(wú)融合生殖模式導(dǎo)入作物，將對(duì)無(wú)法采用MIME構(gòu)建無(wú)融合生殖的物種提供新的補(bǔ)充途徑。

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MIME—Mitosis instead of meiosis and its application in crop apomixis

Yanhong Hou, Guizhi Gong, Zhuchun Peng, Qianqian Dong, Ai Luo, and Qibin Hong

,,,,400712,

Apomixis has been widely concerned because of its great potential in heterosis fixation. Artificial apomixis is an important direction of current apomixis research. Mitosis instead of Meiosis (MIME) produces diploid gametes that is identical with the maternal genetic composition and is a key step in the artificial creation of apomixes. This paper reviews the occurrence of MIME and its application in crop apomixis and the problems encountered, in an aim to provide reference for expanding the application of MIME in crop apomixis.

apomixis, mitosis instead of meiosis, heterosis, diploid gametes, crops

May 30, 2019;

July29, 2019

Supported by:National Science and Technology Support Program(No. 2013BAD02B02),Chongqing Social Work and People’s Livelihood Security Science and Technology Innovation Project(No. cstc2016shms-ztzx80001).

Qibin Hong. Tel: +86-23-68349025; E-mail: hongqb@sina.com

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(No. 2013BAD02B02)，重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(xiàng)(No. cstc2016shms-ztzx80001)資助。

2019-08-26

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20190826.1410.001.html

10.13345/j.cjb.190225

侯艷紅, 龔桂芝, 彭祝春, 等. MIME——有絲分裂替代減數(shù)分裂及其在作物無(wú)融合生殖中的應(yīng)用. 生物工程學(xué)報(bào), 2020, 36(4): 612–621.

Hou YH, Gong GZ, Peng ZC, et al. MIME—Mitosis instead of meiosis and its application in crop apomixis. Chin J Biotech, 2020, 36(4): 612–621.

(本文責(zé)編 陳宏宇)