雜交水稻的培育和生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有至關(guān)重要的作用。人工合成無融合生殖可以固定雜種優(yōu)勢，有望徹底解決雜交水稻無法留種的世紀(jì)難題，帶來新一輪農(nóng)業(yè)綠色革命。2019年， 中國水稻研究所王克劍團隊通過將有絲分裂代替減數(shù)分裂 MiMe 與單倍體誘導(dǎo)基因 OsMTL 結(jié)合，建立了無融合生殖體系 Fix （ Fixation of hybrids ），首次獲得了雜交水稻的克隆種子，實現(xiàn)了雜交水稻無融合生殖從0到1的原始突破（）。然而，第一代 Fix 體系存在克隆種子效率和結(jié)實率較低的問題，限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨后，研究團隊對無融合生殖體系進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化。2023年，團隊發(fā)現(xiàn)卵細(xì)胞異位表達(dá) OsBBM4 具備孤雌生殖能力，并將其與 MiMe 結(jié)合，構(gòu)建了正常結(jié)實率的 Fix2 體系。2025年，通過將卵細(xì)胞異位表達(dá) OsWUS 與 MiMe 結(jié)合，開發(fā)出結(jié)實率正常且效率顯著提高的 Fix3 體系。盡管Fix2和Fix3植株都實現(xiàn)了正常結(jié)實率，但相關(guān)體系都依賴于基因編輯和異位表達(dá)元件的轉(zhuǎn)化，目前尚未建立僅依賴基因編輯的正常結(jié)實率無融合生殖體系。

近日，中國水稻研究所水稻生物育種全國重點實驗室 王克劍團隊 與 錢前院士團隊 合作在 Science Bulletin 上發(fā)表了題為“

OsPLD

α2

-dependent synthetic apomixis enables normal seed setting in hybrid rice via genome editing

磷脂酶 D（PLD）是脂質(zhì)信號傳導(dǎo)中負(fù)責(zé)磷脂水解的重要酶類，在植物細(xì)胞擴張和尖端生長中發(fā)揮關(guān)鍵作用。先前研究表明，玉米 ZmPLD3 基因編碼一種花粉特異性磷脂酶，該基因突變具有單倍體誘導(dǎo)能力。本研究鑒定了水稻中磷脂酶D家族基因 OsPLD α 2 ，發(fā)現(xiàn)該基因在成熟花粉中特異性高表達(dá)，其編碼蛋白主要定位在花粉胞質(zhì)及花粉管中。利用CRISPR/Cas9技術(shù)在雜交水稻中對 OsPLD α2 基因進(jìn)行敲除后， Os pld α2 突變體在營養(yǎng)期生長正常，成熟期表現(xiàn)為高結(jié)實，自交子代能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體。進(jìn)一步地，利用CRISPR/Cas9技術(shù)在雜交水稻中同時突變了 MiMe 相關(guān)基因（ OsOSD1 、 OsPAIR1 和 OsREC8 ）以及 OsPLD α2 ，構(gòu)建了 Fix4 （ Fixation of hybrids 4 ）雜交水稻無融合生殖體系。 Fix4 植株生長正常，T 0 代和T 1 代能夠穩(wěn)定誘導(dǎo)產(chǎn)生克隆種子。值得注意的是，Fix4體系的結(jié)實率與野生型相比完全正常。將克隆種子繼續(xù)種植，同樣保持了正常的結(jié)實率。

圖1 利用CRISPR/Cas9在雜交水稻中創(chuàng)建Fix4無融合生殖體系

綜上所述，該研究證明了僅通過基因編輯技術(shù)敲除水稻內(nèi)源基因，可創(chuàng)建結(jié)實率完全正常的無融合生殖體系，為加速雜交水稻無融合生殖技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論支撐與創(chuàng)新方案。目前Fix4的克隆種子誘導(dǎo)效率仍較低，未來通過聚合其他單倍體誘導(dǎo)基因有望進(jìn)一步提升誘導(dǎo)效率。此外，OsPLDα2同源基因在玉米、甘藍(lán)等作物中表現(xiàn)出功能保守性，表明其很可能在單、雙子葉作物的無融合生殖技術(shù)研究中均有應(yīng)用潛力。

圖2 雜交水稻在傳統(tǒng)有性生殖和Fix4無融合生殖中的對比模式圖

中國水稻研究所水稻生物育種全國重點實驗室 胡風(fēng)越 博士、 劉朝雷 副研究員為論文共同第一作者。中國水稻研究所 王克劍 研究員、 錢前 院士為論文共同通訊作者。 浙江師范大學(xué) 饒玉春 教授對本研究提供了重要指導(dǎo)。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家水稻產(chǎn)業(yè)體系專項基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項目支持。

https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.022