研究检验了没有花粉就没有种子的残酷现实

北卡罗来纳州立大学的研究人员成功地将一种重要的基因从植物细胞的一个区室转移到另一个区室，以产生缺乏花粉和能存活的种子的烟草植物，而其他方面则正常生长。他们的发现可能会带来更好的方法来生产杂交种子，以最大限度地提高作物生产力，或者在缺乏通常所需性状的水果品种中引入无核，例如覆盆子、黑莓或圆叶葡萄。

研究人员开始对细胞的能量产生部分线粒体进行研究。在植物中，线粒体基因组内的畸变可能与无法产生花粉有关，这种性状被称为细胞质雄性不育(CMS)，已成功用于在许多重要作物中生产高产杂交种子。然而，足以促进商业规模杂交种子生产的、基于自然发生的CMS的系统是有限的。

在他们的概念验证研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员与PrecisionBioSciences和EloLifeSystems的同事一起，部署了一种独特的策略来测试CMS性状是否可以在烟草(植物研究中常用的模型物种)中产生。

研究人员最初提取了一种名为atp1的重要线粒体基因，并将其置于一个称为启动子的元件的调控控制之下，并将其转移到细胞核中，他们预测启动子将使转移的atp1基因在植物的每个细胞中表达。负责产生花粉的除外。然后，研究人员使用基因组编辑工具从线粒体中永久去除天然atp1基因。

他们的方法是成功的。

“结果超出了我们的预期，”北卡罗来纳州立大学菲利普·莫里斯作物科学教授、描述该研究的论文的通讯作者拉尔夫·杜威说。“这些植物在开始开花之前看起来完全正常，但随后无法产生花粉，因为转移的atp1基因不再表达。重要的是，由于原始atp1基因从线粒体基因组中删除，该性状将通过母系遗传，这是大规模杂交种子生产的一个重要考虑因素。”

花粉并不是该技术的唯一受害者。当使用邻近正常植物的花粉进行异种受精时，他们的烟草植物出乎意料地产生了小而空心的种子，就像西瓜和葡萄等流行的“无籽”水果中的种子一样。

“这是因为我们选择的启动子不仅在花粉形成过程中未能表达，而且在早期种子发育过程中也未能表达，”杜威说。

杜威说，他的团队现在正在努力将这些结果分开，以便研究人员能够单独实现花粉不育或无籽性状，而不是同时实现两者。

杜威还强调，研究结果不应仅限于烟草植物。他们的下一代实验将包括测试番茄(烟草的近亲)的无籽特性。他们还将在水稻等谷物中测试其新的CMS性状，以测试其系统在杂交种子生产对于实现最大产量非常重要的作物中的功效。

“了解该系统的工作方式后，我们没有理由相信我们无法将该技术有效地转移到其他植物物种上，”他说。