新研究使作物无性繁殖更加接近

当植物中的雌配子受精时，精子发出的信号会激活细胞分裂，从而形成新的植物种子。正如苏黎世大学研究人员所证明的那样，这种激活也可以在没有受精的情况下被故意触发。他们的研究结果发表在《科学》杂志上，为农作物的无性繁殖开辟了新途径。

种子是植物繁殖的最终产品。无论是直接作为食物，还是间接作为动物饲料，它们提供了人类消耗的大约80%的热量。自人类首次定居以来的数千年里，我们培育了无数具有有利特性的植物品种，例如提高产量、提高质量、抗害虫或抗寒性。

在可能的情况下，农民使用杂交品种，这些品种是通过两个自交系杂交产生的，比普通品种更具抗性和更高产。问题是这些所需的特性在繁殖过程中会丢失，因此每年都必须重新培育杂交种子。

如果我们能找到一种通过种子无性繁殖(称为无融合生殖)来繁殖农作物的方法，这将彻底改变农业。如果可以绕过雌配子的减数分裂和受精，那么产生的种子将在遗传上与母株相同。因此，具有所需特征的植物品种可以更容易地作为种子克隆进行繁殖。

现在，苏黎世大学(UZH)植物与微生物生物学系的UeliGrossniklaus和他的团队距离实现这一目标又近了一步。“在模型植物拟南芥中，我们发现了激活雌配子形成新种子的信号，”格罗斯尼克劳斯说。

植物的受精过程由两个事件组成。两个精子细胞各自与一个雌性配子融合——一个精子细胞使卵子受精，形成胚胎并最终形成下一代，而另一个精子细胞与中央细胞融合，发育成胎盘样组织，为精子提供能量。胚胎具有营养。它们一起发育成成熟的种子。为了成功受精，精子细胞和雌性配子必须处于细胞周期的同一阶段，换句话说，它们需要彼此“同步”。

同步先于配子分裂

科学家们已经知道拟南芥(Arabidopsisthaliana)中的精子细胞正处于细胞分裂的准备阶段。Grossniklaus的团队现在已经证明，静止的卵细胞也处于这个阶段。另一方面，中央细胞仍然停留在前一阶段的中间，在这个阶段遗传物质被复制。虽然精子和卵细胞处于相同的细胞周期阶段，但受精后中央细胞必须首先完成DNA合成，然后才能开始第一次分裂。

细胞周期的这种中断是由中央细胞中的一种蛋白质引起的，该蛋白质没有完全降解，因此仍然存在。当精子使配子受精时，它会引入细胞周期蛋白，然后激活抑制蛋白的分解。只有这样，中央细胞才能完成DNA合成并进入细胞周期的下一阶段。

“我们第一次成功地弄清楚了信号如何从精子传递到雌配子以使其脱离静止状态的分子机制。它向中央细胞发出信号，表明受精已成功，并且细胞分裂现在可以发生，”第一作者萨拉·西蒙尼尼(SaraSimonini)说。

农作物的无性繁殖

如果对拟南芥进行基因改造，使中央细胞自己产生细胞周期蛋白，那么即使没有受精，它们也会开始分裂。“我们现在可以在没有受精的情况下故意触发这种激活。这为在农作物中引入无融合生殖提供了机会，特别是在比普通品种更有弹性且产量更高的杂交品种中，”Grossniklaus说。

如果可以在农作物中利用无融合生殖，那么全球南方数以百万计的小农将首次能够种植杂交品种，其种子可以保存下来以供下次播种。