摘要：一场颠覆数千年农业根基的技术革命正在从实验室走向田野。科学家们正处于破解植物繁殖终极密码的边缘，通过基因工程手段，他们正在创造能够产生自身完美克隆种子的作物。这项被称为“合成无融合生殖”的技术，有望将杂交作物的优异性状永久固定下来，从而根本性地改变全球粮食的生

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-025-02753-x

一场颠覆数千年农业根基的技术革命正在从实验室走向田野。科学家们正处于破解植物繁殖终极密码的边缘，通过基因工程手段，他们正在创造能够产生自身完美克隆种子的作物。这项被称为“合成无融合生殖”的技术，有望将杂交作物的优异性状永久固定下来，从而根本性地改变全球粮食的生产、育种和分配方式。最早于今年，一批经过基因改造的高粱就将在澳大利亚的田间进行试验，这标志着该技术迈出了商业化前至关重要的一步。

这项技术的核心目标是解决现代农业中一个长期存在且成本高昂的难题：杂种优势的遗传不稳定性。自20世纪初以来，利用不同亲本杂交产生的“杂交一代”（F1）作物，因其表现出远超亲本的产量、抗病性和适应性（即“杂种优势”），已成为全球玉米、水稻、番茄等主要粮食和经济作物生产的基石。然而，这种优势是脆弱的。根据孟德尔遗传定律，当这些优良的杂交植株进行第二次繁殖时，其后代的基因会发生分离和重组，导致性状参差不齐，优良特性大幅衰退。

这意味着，全球数以亿计的农民每年都必须重新向种子公司购买昂贵的杂交种子，无法像传统农业那样自行留种。这不仅给发展中国家的小农户带来了沉重的经济负担，也极大地限制了育种家开发新品种的效率。而无融合生殖技术，正是破解这一百年难题的钥匙。它通过绕过有性生殖的减数分裂和受精过程，让杂交植物能够像无性繁殖一样，产生与母体基因完全相同的种子，从而将宝贵的杂种优势永久“锁定”。

实现人工诱导的无融合生殖，如同解开一个复杂的双重保险锁，科学家需要同时操控植物繁殖过程中的两个关键环节。首先，必须阻止减数分裂。在正常的有性生殖中，亲本的染色体数量会减半，以便在受精后恢复完整的遗传信息。为了让种子成为克隆体，卵细胞必须通过类似普通细胞分裂的有丝分裂来形成，从而保留母体完整的基因组。

经过多年探索，由德国马克斯·普朗克植物育种研究所的拉斐尔·梅西耶（Raphael Mercier）领导的团队取得了关键突破。他们通过同时敲除拟南芥中的三个关键基因，成功地将减数分裂过程“篡改”为有丝分裂，并将这一基因组合命名为“MiMe”（mitosis instead of meiosis）。这一发现为构建克隆种子的第一步奠定了基础。

然而，仅仅产生一个携带完整基因组的卵细胞还不够。第二个关键环节是启动胚胎发育，即所谓的“孤雌生殖”。在自然状态下，卵细胞需要精子的受精才能被激活并发育成胚胎。科学家需要找到一个分子“开关”，在没有受精的情况下“欺骗”卵细胞，使其开始发育。

这一难题最终被多个研究团队从不同角度攻克。美国加州大学戴维斯分校的文卡特桑·桑德雷桑（Venkatesan Sundaresan）团队发现，一个名为“BABY BOOM”（BBM）的基因在其中扮演了“点火器”的角色。在正常情况下，该基因由精子带入卵细胞，从而启动胚胎发育。通过基因工程手段，研究人员成功地在未受精的卵细胞中直接激活了BABY BOOM基因，从而诱导了胚胎的形成。

当MiMe系统与BABY BOOM开关被整合到同一株水稻中时，历史性的时刻到来了：科学家首次创造出了一种能够产生克隆种子的主要粮食作物。最初的实验效率不高，只有大约10%到30%的种子是克隆体。但在随后的几年里，通过对基因表达的优化，中国的一个研究团队将克隆种子的效率提升到了95%以上，且产量与普通杂交水稻相当，这标志着该技术在概念上已经成熟。

尽管最初的突破发生在水稻上，但科学家们的雄心远不止于此。一个全球性的科研网络正在努力扩展这一“基因工具箱”，以适应包括蔬菜、油料作物在内的更多非禾本科植物。荷兰的研究人员在蒲公英中发现了一个功能类似但结构完全不同的胚胎触发基因“PAR”，并证明它能在水稻中产生克隆种子。这表明自然界可能存在多种实现无融合生殖的途径，为该技术的广泛应用提供了更多可能性。

与此同时，研究人员正在野生植物的基因库中寻找天然的无融合生殖基因。例如，在美国，科学家正在对数千种野生苹果和黑莓进行筛选，希望找到能够简化人工克隆过程的天然遗传模块。

由昆士兰大学植物生理学家安娜·科尔图诺（Anna Koltunow）领导的澳大利亚高粱试验，是这项技术从实验室走向现实的关键一步。该项目获得了比尔及梅琳达·盖茨基金会和跨国种业巨头科迪华农业科学公司（Corteva Agriscience）的共同支持，这凸显了该技术蕴含的双重潜力：它既可以为非洲等地的贫困小农提供能负担得起的高产种子，使他们能够通过留种来降低成本、保障粮食安全；也可以为大型种子公司带来巨大的商业利益，通过大幅缩短育种周期、降低生产成本来巩固市场地位。

克隆种子技术的全面应用将对农业产生深远影响。它将使小麦、大豆等难以进行大规模杂交育种的作物也能享受到杂种优势带来的增产效益。育种家可以更快地将抗旱、抗病、高营养等优良性状固定下来，培育出能适应多变气候的“未来作物”。对于农民而言，这意味着他们可以根据当地的特定环境，获得定制化的、可重复种植的高性能种子。

然而，通往这场农业革命的道路并非没有障碍。首先是技术本身的效率和稳定性。尽管实验室中的效率已大幅提高，但这些克隆作物在多样化的田间环境下的表现仍有待长期验证。任何微小的产量下降都可能抵消其带来的优势。

其次是严格的监管审批。由于合成无融合生殖技术目前依赖于基因编辑或转基因技术，这些作物将面临各国复杂的监管审查。公众对转基因食品的接受度，以及大型种子公司在这一技术上的专利布局，都将深刻影响其最终能否惠及最需要它的人群。

一个核心的社会经济问题是，这项技术最终将赋予谁权力？是让数亿小农摆脱对种子供应链的依赖，还是会成为少数跨国公司进一步巩固其市场垄断地位的工具？许多致力于此的研究人员希望，它能像古腾堡印刷术打破知识垄断一样，带来杂交品种的“大爆发”，让世界各地的农民都能从中受益。

无论如何，克隆种子的时代正以前所未有的速度向我们走来。它所承诺的，是一个更高效、更具韧性、也可能更公平的全球粮食体系。未来几年，澳大利亚那片试验田里的高粱，或许就将为我们揭示这场革命的真正走向。

来源：人工智能学家