杂交稻育种充分发挥了杂种优势的潜能，实现了水稻的高产、稳产，为世界粮食安全提供了重要保障。杂交稻后代种子会发生杂种优势表型分离，因而无法再应用于农业生产，需要每年通过繁琐的程序重制新的杂交F1代种子。杂交制种极易受外界环境影响，生产成本高，种子产量低，价格十分昂贵。因此，如何实现杂交稻自留种，一直被认为是杂交育种的最高目标。自然界中存在一种通过种子进行克隆繁殖的无性生殖方式——无融合生殖(Apomixis)。将这种生殖方式引入杂交农作物中，有望可以实现杂交作物自留种。

        2019年，Venkatesan Sundaresan和本研究团队分别在常规稻和杂交稻中建立了人工无融合生殖体系(Synthetic apomixis)，首次获得了水稻的克隆种子，为杂交稻进行自留种提供了可能(Khanday et al., 2019; Wang et al., 2019)。但是，这两种人工无融合生殖体系均存在结实率低和克隆种子比例低的问题，限制了该技术在农作物中应用。

        2023年1月5日，本团队在Molecular Plant杂志上在线发表了题为“Synthetic apomixis with normal hybrid rice seed production”的研究论文。该研究优化了杂交水稻无融合生殖体系，得到了结实率几乎不受影响的无融合生殖杂交水稻植株，实现了对无融合生殖技术体系结实率的大幅提升。

   该研究对水稻可诱导孤雌生殖基因BBM1的三个同源基因BBM2、BBM3和BBM4进行系统研究，挖掘相关基因诱导孤雌生殖的潜力。利用拟南芥卵细胞特异性启动子pDD45分别驱动BBM2、BBM3和BBM4，获得这三个基因水稻卵细胞异位表达植株EE-BBM2、EE-BBM3和EE-BBM4。接着，借助分子标记技术和流式细胞术对BBMs异位表达植株后代进行分析，发现BBM4卵细胞异位表达植株可以诱导孤雌生殖，单倍体诱导率为3.2% (图1)。

      图1 卵细胞异位表达BBM4诱导孤雌生殖

   随后，研究人员测试了BBM4在无融合生殖体系的应用潜力。将异位表达BBM4与有丝分裂代替减数分裂策略MiMe结合，在杂交稻中成功获得了可以发生无融合生殖的Fix2 (Fixation of hybrids 2) 材料。Fix2植株不仅在营养生长阶段表现正常，而且结实率高达80.9-86.1%，与正常杂交稻82.1-86.6%相近。通过细胞倍性检测，在其子代中获得了细胞倍性为二倍体且基因型与亲本保持一致的植株，这些克隆植株的表型也与野生型杂交稻高度相似，同时维持了80.9-82.0%的高结实率 (图2)。

图2 建立正常结实率无融合生殖系统Fix2

          2022年12月27日，法国 Emmanuel Guiderdoni团队联合Venkatesan Sundaresan、Raphael Mercier等研究团队在Nature Communications杂志报道了高效杂交水稻无融合生殖的研究成果(Vernet et al., 2022)。该研究通过将前期研究的BBM1与MiMe构建在一个载体上，在杂交稻BRS-CIRAD 302品种实现了克隆种子比例超过90%的无融合生殖体系，但在温室种植条件下结实率仍受到不同程度的影响(无融合生殖水稻结实率为27.0~35.5%，对照为44.5%)。本研究中Fix2策略结实率虽不受影响，但克隆种子比例较低(1.7%)。未来，通过进一步组合构建高结实率、高克隆种子诱导率，有望推动实现杂交水稻无融合生殖体系的落地应用。

   尉鑫博士、刘朝雷助理研究员、陈曦博士和鲁宏伟特聘副研究员为论文共同第一作者，王克剑研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院青年创新专项、海南省崖州湾种子实验室等项目的支持。