这就是食物的未来吗？“无性”种子或将改变农业

最早下个月，一批耐寒高粱试验作物就可能在澳大利亚东部的网状防护罩下开始发芽。这些植物看似普通，但它们的基因中却隐藏着革命性的东西。

如果试验成功，每株植物将绕过有性生殖，并在每个花头中结出数千个克隆种子。

Hy-Gain高粱试验是澳大利亚布里斯班昆士兰大学植物生理学家安娜·科尔图诺数十年研究的成果。她从20世纪90年代初开始研究制造“无性种子”。这项技术利用了自然界的一种奇特现象——无融合生殖。超过300种开花植物通过无融合生殖自然产生克隆种子，但没有一种是重要的谷物。研究人员表示，将无融合生殖引入高粱、水稻和玉米等植物的研究正处于改变农业的关键时刻。

“这肯定会引发一场革命，”中国水稻研究所遗传学家王克建说道，他正在进行单独的无融合生殖实验。

Koltunow 表示，她的研究有望让撒哈拉以南非洲的小农户获得价格实惠的高产高粱（Sorghum bicolor）和豇豆（Vigna unguiculata）作物。这些农民可以保存克隆种子，用于多年播种，从而进一步降低成本。这也是 Koltunow 的研究获得华盛顿州西雅图慈善机构盖茨基金会资助的部分原因。

Hy-Gain 项目的另一个合作伙伴是总部位于印第安纳州印第安纳波利斯的跨国种子公司科迪华农业科学公司 (Corteva Agriscience)。这是因为无融合生殖植物对于向全球大规模农业市场销售种子的公司来说是一个潜在的福音。无融合生殖可以缩短培育新品种所需的时间，并在产生自身克隆的植物中固定所需性状。科尔图诺夫表示：“对于这些公司来说，成本的下降可能非常巨大。”

少数物种已经可以实现市场化的克隆种子生产，其中包括水稻——这种主食为全球一半以上的人口提供了食物。过去几年，各种无融合生殖作物的专利申请纷至沓来。然而，研究人员表示，在这些进展真正落地生根之前，仍存在一些关键障碍。加州大学戴维斯分校的植物生殖生物学家文卡特桑·桑德雷桑（Venkatesan Sundaresan）表示：“既然我们已经将其作为一个概念付诸实践，就需要进行一些微调。”

修复活力

无性种子的出现可能会改变农业的方方面面，首先是杂交种子的生产。对于世界上一些主要种植的作物，例如玉米、水稻和西红柿，农民们世世代代都在播种杂交种子。

当两个亲本品种通过有性繁殖进行杂交时，产生的杂交后代通常会比其双亲表现更好——这种现象被称为杂种优势。从1930年到1990年代中期，美国玉米产量增长了7倍，部分原因是农民采用了播种杂交种子的办法，从而培育出一排排均匀健壮的植株。

然而，培育杂交品种既费力又费时，而且成本高昂，而且每年都必须重新培育和购买杂交种子。这是因为，如果让杂交品种进行自花授粉，它们会产生质量参差不齐的杂乱作物，这是有性生殖将植物基因混合匹配形成新组合的结果（参见“培育克隆作物”）。

通过无融合生殖，杂种优势将被“固定”下来，因为杂种可以自我克隆，为育种者——以及农民——提供源源不断的优质相同植株。这也有助于小麦和大豆等作物的生产，事实证明，这些作物的杂交育种过于困难。无融合生殖将使培育这些作物的优良品种成为可能，这些品种的性状将一代一代地固定下来。

早在20世纪40年代，研究人员就已发现无融合生殖具有遗传基础。但直到20世纪90年代，Koltunow等人才认识到，这种性状并不能凌驾于有性生殖之上。瑞士苏黎世大学植物遗传学家Ueli Grossniklaus表示，它更像是“一种改变的性途径”。该途径需要两项革新：卵子和精子形成过程中的细胞分裂需要被打乱；胚胎需要独立于受精过程形成。Grossniklaus团队进行了几项实验，有意诱发植物突变，以观察是否有突变体表现出这些变化。

直到2009年，研究人员才成功扰乱有性细胞分裂过程（即减数分裂），从而模拟自然无融合生殖中发生的情形¹。当时，法国凡尔赛国家农业研究所的植物遗传学家拉斐尔·梅西耶（Raphael Mercier）试图理解有丝分裂（一个细胞分裂成两个相同细胞的简单过程）是如何演变成更复杂的减数分裂（有性生殖的关键部分）的。减数分裂涉及两次细胞分裂而不是一次，由此产生的卵细胞和精子细胞包含的染色体数量只有正常数量的一半，因此在受精过程中结合时，染色体的完整组合得以恢复。

利用拟南芥（一种小型卷心菜的近亲，现已成为植物遗传学实验室的主力），Mercier 发现了一个基因，该基因参与了进化过程中将有丝分裂转变为减数分裂的三个关键创新之一。随后，他破坏了该基因以及对减数分裂其他两个支柱至关重要的基因，以观察减数分裂是否可以恢复为有丝分裂。

“它的效果正如预期的那样，”目前在德国科隆马克斯普朗克植物育种研究所工作的 Mercier 说道。在由此产生的三重突变体（称为MiMe，代表有丝分裂而非减数分裂）的花中，精子和卵细胞包含与其亲本相同的染色体组，它们是通过更简单的有丝分裂而不是更复杂的减数分裂产生的。Mercier 表示，他立即意识到MiMe在植物中设计无融合生殖的潜力。他和他的同事在 2016 年对MiMe水稻进行了跟踪研究，并在 2024 年对MiMe番茄进行了跟踪研究。这些植物可以繁殖，但是由于卵细胞和精子细胞含有正常数量两倍的染色体，子代也接受了双倍剂量的染色体，导致每一代的生育力下降。这是朝着正确方向迈出的一步，但只是解开无融合生殖之谜的一半。

格罗斯尼克劳斯和他的团队在玉米中发现了MiMe的替代品。他们对6万个突变体进行了筛选，发现了一个名为“雌性非还原基因4”（nrf4 ）的基因。该基因被破坏后，会导致约三分之一的卵细胞通过有丝分裂而不是减数分裂形成。这项工作，包括利用nrf4突变体在作物物种中培育出首个克隆种子，已获得专利保护。

处女生子

无融合生殖的第二个基本组成部分是孤雌生殖，即胚胎直接从未受精的卵细胞形成——不需要雄性。2006 年，蒂夫顿佐治亚大学的分子遗传学家 Peggy Ozias-Akins 和她的同事们集中研究了喷泉草（Cenchrus squamulatus），一种天然的无融合生殖植物，它看起来很可能是含有无融合生殖基因的候选者。他们所鉴定的基因类似于BABY BOOM，可以刺激植物组织自发形成胚胎。但 Ozias-Akins 的团队花了近十年的时间才证实该基因在无融合生殖中的作用。他们将喷泉草基因引入到进行有性繁殖的珍珠粟（Pennisetum glaucum）中，发现胚胎无需受精就能自发发育。“这太令人兴奋了，”Ozias-Akins 说。

与此同时，Sundaresan 则从完全不同的方向关注婴儿潮。“我的实验室实际上根本不研究无融合生殖，”他说。相反，他的团队正在寻找在从未受精卵细胞到受精卵细胞（可发育成胚胎）的关键转变过程中活跃的基因。

以水稻为例，Sundaresan 的团队在授粉后数小时内从单个卵细胞中提取了 RNA（活性基因的读出产物）。他们发现BABY BOOM 的RNA 含量丰富。Sundaresan 团队进一步证明BABY BOOM是胚胎发生的触发因素，而该基因的活性拷贝由精子传递到卵细胞中⁷。接下来，Sundaresan 和他的同事、加州大学戴维斯分校的农学家 Imtiyaz Khanday 证明，精子根本不需要。他们将BABY BOOM基因的拷贝插入卵细胞中，并按照指令开启卵细胞，而卵细胞中的基因拷贝则被沉默。利用这项技术，该团队启动了胚胎发生。

整合起来

2016年， Sundaresan了解到MiMe水稻的研究成果后，便联系了Mercier，希望合作将MiMe和BABY BOOM结合起来。他们编辑了含有卵细胞活性基因BABY BOOM的水稻中的MiMe基因。如此一来，他们实现了该领域长期追求的目标：培育出一种能够自我克隆的无融合生殖植物。虽然效率较低——只有10%到30%的种子是克隆的——但这项工作为将无融合生殖的两个基本要素结合在一个有价值的作物品种中提供了概念验证。

2022年，Sundaresan、Khanday、Mercier 等人测试了一项未来可能成为常态的技术：通过一步克隆种子来修复杂交品种的活力。他们同时编辑了三个基因，创建了MiMe系统，并引入了可在卵细胞中启动的BABY BOOM基因副本。由此产生的克隆种子不仅证明了这一单步程序的有效性，而且效率也得到了提升。在某些情况下，超过 95% 的可育种子都是杂交品种的克隆种子。然而，并非所有种子都是可育的。无融合生殖产生的可育种子比杂交品种少 20% 到 40%。

Mercier表示，这种减少可能会抵消合成无融合生殖的所有优势。“这必须非常非常高效，”他说。

2024年，中国的一个研究小组实现了这一目标：研究人员通过添加一个序列来增强BABY BOOM的活性，将水稻的生育力提高到与无融合生殖水稻杂交种相当的水平。 “在我看来，在水稻领域，这确实是一项可以商业化的技术，”Khanday说。

扩展工具包

尽管水稻研究进展迅速，但在非禾本科植物（包括重要的蔬菜和油料作物）中培育克隆种子的努力却收效甚微。正因如此，科学家们正致力于扩展合成无融合生殖工具包，将原来的三个MiMe基因替换成其他基因，并用其他胚胎发生触发基因取代BABY BOOM基因。

2022年，荷兰奈梅亨拉德堡德大学的植物遗传学家查尔斯·安德伍德（Charles Underwood）和他的同事在普通蒲公英（Taraxacum officinale）中发现了一种胚胎发生触发基因。孤雌生殖（PAR ）基因与婴儿潮（ BABY BOOM）基因毫无相似之处，但它可以激发莴苣卵细胞形成类似胚胎的结构——尽管不会形成完全成形的种子——而无需受精。它也在水稻中起作用，水稻是一种与蒲公英无关的植物，其基因组中不含有等效基因。当与MiMe结合时，可以产生克隆种子。

可能还存在更多无融合生殖基因。阿拉巴马州亨茨维尔哈德森阿尔法生物技术研究所的植物遗传学家 Charity Goeckeritz 一直在深入研究美国农业部保存的大量野生和驯化苹果品种，以期找到导致某些品种无融合生殖的基因。目前，她已将搜索范围缩小到不到苹果基因组3%的区域。“希望我能在不到一年的时间内找到一些真正优秀的候选基因，”她说。她还在寻找黑莓中的无融合生殖基因。

尽管实验室技术取得了进展，但除了科尔图诺计划进行的无融合生殖高粱田间试验外，很少有合成无融合生殖材料进入田间。目前还没有人通过监管部门的严格审查，将合成无融合生殖材料商业化，但研究人员表示，这可能并不遥远。科尔图诺表示，即使是标准品种或杂交品种，植物育种者通常也会在商业化之前，在多个地点进行三个或更多生长季的田间试验。以携带MiMe和PAR基因的杂交水稻无融合生殖材料为例，中国的研究人员发现，它们与其杂交亲本相比，表现良好。

随着合成无融合生殖技术逐渐接近与传统杂交品种的竞争，监管机构以及消费者将如何看待这项技术，这成了一个大问题。梅西尔表示，大型跨国种子公司最有能力通过昂贵的审批程序，让一项技术——尤其是涉及转基因粮食作物的技术——获得成功。

许多致力于合成无融合生殖的研究人员仍然乐观地认为，无融合生殖技术前景光明，将使那些最无力承担新技术的农民受益。科尔图诺夫表示，无融合生殖作物可能进入市场的地区之一是撒哈拉以南非洲地区。他指出，尼日利亚和加纳已经在种植转基因抗虫豇豆。高产杂交作物在世界各地的许多农业地区价格高昂，但无融合生殖技术可以让低收入农民首次种植杂交作物。

Mercier 表示，这项技术可以大幅增加杂交品种的数量和多样性。实际上，这可能意味着杂交种子可以根据当地气候条件进行定制，无论是在低收入国家还是高收入国家。

他将其比作15世纪机械化古腾堡印刷机的发明。“基本上，一两本书就带来了突飞猛进的多样性，”梅西耶说道。他还表示，如果无融合生殖作物成功，这可能会引发类似的杂交品种大爆发，世界各地的农民都可以享用。

自然 645 , 26-28 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02753-x