杂种优势是指两个遗传基础有差异的亲本杂交生成的杂合子在生长势、生物量、抗逆性和适应性等方面优于两个亲本的现象。利用杂种优势不仅可提高作物的产量，还能提高其抗逆性和适应性。为了保持杂种优势，农民们需要在每个季节购买新种子。
水稻是世界一半人口的主食作物，以能将产量提高约 10% 的杂交种进行育种，成本相对较高。“这意味着水稻杂交种的好处尚未惠及到世界上的许多农民。”加州大学戴维斯分校植物科学系名誉副教授 Gurdev Khush 表示。Khush 从 1967 年开始在国际水稻研究所工作，直到 2002 年退休到加州大学戴维斯分校，他于 1996 年获得了“世界粮食奖”。
解决这个问题的一个方法是将杂交种作为克隆繁殖，这些克隆将代代相传，而无需进一步育种。许多野生植物可以产生自己的克隆种子，这一过程称为无融合生殖。这是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式，可以使杂交品种产生克隆种子，保持杂交后代性状不发生分离，从而永久固定杂种优势。而无性生殖面临两个问题：减数分裂的过程和对精子细胞的需求。
这就导致，将无融合生殖应用于主要作物上较为困难。由于无融合生殖发生机制的复杂性，尽管经过了多国科学家近一个世纪的努力，其形成机制依然不清楚，也未能将其成功应用于作物育种中。由于无融合生殖对于农业生产的重要性，培育无融合生殖作物被誉为农业研究领域的“圣杯”。
2019 年，由加州大学戴维斯分校植物生物学和植物科学系的 Venkatesan Sundaresan 教授和助理教授 Imtiyaz Khanday 领导的一个团队在水稻植物（常规水稻）中实现了无融合生殖，其中约 30% 的种子是克隆的，研究成果发表在 Nature。
▲图 | Venkatesan Sundaresan 博士
该团队找到了解决阻碍无性生殖的巧妙方法。为了阻止减数分裂，他们通过减数分裂的方式抑制了导致减数分裂的关键基因，并且引入了 BBM 基因，Imtiyaz Khanday 发现该基因在水稻植物的精子细胞中很活跃，并作为受精卵开始发育成胚胎并最终发育成完整种子的触发器。通过在卵细胞内表达 BBM 基因，可以允许卵细胞在没有受精的情况下进行复制。
同年，Nature Biotechnology 期刊以封面故事发表的一篇成果宣告了中国科学家王克剑带领的团队利用基因编辑技术在杂交水稻中建立了无融合生殖体系，成功获得了杂交水稻克隆种子，也标志着杂交稻无融合生殖技术从 0 到 1 的关键突破终于实现。
近日，Sundaresan、Khanday 及其在法国、德国和加纳的同事使用商业杂交水稻品系实现了 95% 的克隆效率，并表明该过程可以持续至少三代。这可以降低杂交水稻种子的成本，使全世界的低收入农民都能获得高产、抗病的水稻品种。这项工作于发表在 Nature Communications 上，题目为“High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice”。
单步过程涉及修改三个称为 MiMe 的基因，这些基因导致植物从减数分裂切换到有丝分裂。另一种基因修饰诱导无融合生殖，结果是种子可以长成与其亲本基因相同的植物。
Gurdev Khush 表示，这种方法将使种子公司能够更快，更大规模地生产杂交种子，并提供农民可以保存和重新种植的种子。
这种方式也可以应用于其它粮食作物。“我们的目标是将当前技术的效率提高到商业可行性水平。此外，我们目前正在将该技术转移到双子叶植物番茄中，以证明其在商业化生产的被子植物作物中的可行性。” Sundaresan 表示。
不过，值得注意的是，Sundaresan 团队的方式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%)。
王克剑团队最近也在 Molecular Plant 在线发表了最新研究成果，他们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。其获得的无融合生殖的 Fix2 植株，结实率高达 80.9~86.1%，与正常杂交稻结实率 82.1~86.6% 相近，且在营养生长阶段表现正常。
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