利用基因组编辑技术创制水稻无融合种质

Utilization of One-Line System heterosis is the ultimate goal of hybridization breeding. Apomixis refers to asexual reproduction through seed. Major benefits to agriculture could result from harnessing apomixis in crop plants. However, the useful diplospory materials of apomixis still undiscovered in rice. We aim in this proposal to fix hybrid vigor through knock out PAIR1, REC8, OSD1 and MTL these four genes using genome editing technology in hybrid rice. In this quadruple mutant, synthetic clonal reproduction through seeds can be artificially implemented by (i) combining three mutations to turn meiosis into mitosis (MiMe) and (ii) crossing the haploid-induce gametes of whose genome is eliminated in the zygote. Also, we will detect the heterozygosity of seedling progeny from self-pollination using whole genome sequencing and analysis the main agronomic traits. This strategy of heterosis fixation will useful in future plant breeding and will lay the foundation for One-Line System heterosis. Given the conservation of MiMe and MTL in the cereals, this strategy may be effective for the in vivo fixation of hybrid vigor to accelerate breeding in major crops.

利用无融合生殖固定杂种优势，简化杂种生产流程，被认为是杂种优势利用的终极战略。然而，到目前为止尚未发现有通过二倍体孢子无融合生殖的水稻材料。本项目拟在杂交稻中，通过基因组编辑技术，同时编辑PAIR1、REC8、OSD1及MTL四个基因，使配子形成过程中的减数分裂转变成类似有丝分裂的生殖现象，产生的二倍体雌配子受可诱导单倍体的花粉刺激，形成与体细胞基因型完全一致的孢子体，最终实现以种子形式固定杂种优势的目的。通过细胞学和分子生物学等手段对杂种优势固定植株的基因型进行研究，结合重要农艺性状考察，探讨利用基因组编辑技术精准创造水稻无融合生殖材料的可行性。本项目的实施对解决利用无融合生殖固定水稻杂种优势这一难题具有重要意义。由于本项目所编辑的四个基因在各农作物中都较为保守，相关方法的建立也为在其它农作物中实现杂种优势固定提供重要参考。

利用无融合生殖固定杂种优势，可以简化杂交种制种过程，大幅降低杂交种制种成本及制种风险，对我国粮食增产有着重要意义。但是，由于无融合生殖发生机制复杂，无法通过杂交等常规手段将无融合生殖性状导入到主要农作物中，因此培育无融合生殖作物被誉为农业研究领域的圣杯。本项目按照研究计划，首先利用基因组编辑技术在杂交稻春优84中同时敲除PAIR1、REC8、OSD1三个基因，成功将水稻植株的减数分裂转变成类似有丝分裂的过程，快速获得了杂交稻的MiMe (Mitosis instead of Meiosis，有丝分裂替代减数分裂)材料，产生了与体细胞基因型一致的克隆配子；其次，利用基因编辑技术在春优84中敲除了与玉米单倍体诱导基因同源的MATRILINEAL (MTL)基因，获得杂交稻背景的单倍体诱导材料mtl，证明通过基因编辑可以快速在杂交稻的自交后代中诱导单倍体的产生；最后，通过基因编辑技术在春优84中同时敲除 PAIR1、REC8、OSD1 和 MTL 四个内源基因，获得了可以发生无融合生殖的Fix(Fixation of hybrids)材料，获得了完全保持了杂合态的杂交稻克隆种子，证明通过基因编辑技术同时编辑四个基因可以成功将无融合生殖特性引入到杂交稻中，实现杂合基因型的固定。这个工作证明了杂交稻进行无融合生殖的可行性，是无融合生殖研究领域的重大突破，具有重大的理论意义。该方法的建立，也为在其他农作物中建立一系杂交育种法提供重要参考。