研究人员培育的番茄植物含有双亲植物的完整遗传物质

在德国科隆马克斯·普朗克植物育种研究所的查尔斯·安德伍德领导的《自然遗传学》杂志上发表的一项新研究中，科学家们建立了一个在番茄植株中产生克隆性细胞的系统，并用它来设计后代的基因组

将两个不同的亲本系与特定的有利性状结合在一起的杂交种子在农业中很受欢迎，因为它们能培育出健壮的作物，提高生产力，并且已经被农民使用了一百多年

杂交种性能的提高通常被称为杂交活力或杂种优势，在许多不同的植物（和动物）物种中都有观察到。然而，由于遗传信息的分离，杂种优势效应在这些杂交种的后代中不再持续

因此，每年都需要生产新的杂交种子，这是一项劳动密集且成本高昂的工作，并不适合每种作物。那么，如何将杂交植物基因中编码的有益性状传递给下一代呢

通常情况下，我们的遗传物质在减数分裂过程中发生重组，这是所有有性生殖生物体中发生的关键细胞分裂。由于染色体的随机分离和减数分裂重组，这种重组对于在自然种群和育种过程中产生新的有益遗传构型非常重要

然而，当涉及到植物育种时，一旦你有了一个很好的组合，你就想保留它，而不是通过再次重组基因而失去它。拥有一个绕过减数分裂并产生与父母基因相同的性细胞（卵子和精子）的系统可能有几个应用

在这项研究中，安德伍德和他的团队建立了一个系统，在最受欢迎的蔬菜作物栽培番茄中，他们用有丝分裂（一种简单的细胞分裂）代替减数分裂。在所谓的MiMe系统（有丝分裂而非减数分裂）中，细胞分裂模拟有丝分裂，从而避开遗传重组和分离，并产生完全是亲本植物克隆的性细胞

MiMe系统的概念之前由马克斯·普朗克植物育种研究所所长Raphael Mercier在拟南芥和水稻中建立。这项新研究的一个突破性方面是，研究人员首次利用克隆性细胞通过他们称之为“多倍体基因组设计”的过程来设计后代。

通常，性细胞的染色体集减半（在人类中，46条染色体减至23条；在番茄中，24条染色体减为12条），而MiMe性细胞是克隆性的，因此不会发生染色体集减半的情况

Underwood和他的团队进行了杂交，这意味着一株MiMe番茄植株的克隆卵子被另一株MiMe番茄植株的无性系精子受精。由此产生的番茄植株包含了父母双方的完整基因库，因此由48条染色体组成

因此，杂交亲本的所有有利特性都通过设计整合在一种新的番茄植株中。由于番茄和土豆之间有着密切的遗传关系，安德伍德周围的团队认为，这项研究中描述的系统可以很容易地用于世界第五大最有价值的作物土豆，以及潜在的其他作物物种

鉴于人口增长和气候变化，开发高产、可持续和稳定的品种对确保世界粮食供应的长期安全至关重要。因此，培育具有较高抗病性和抗逆性的植物至关重要。植物繁殖技术的创新方法至关重要

MiMe系统及其在多倍体基因组工程中的应用可能是应对当今农业挑战的一条有希望的途径

安德伍德说：“我们对利用克隆性细胞进行多倍体基因组设计的可能性感到非常兴奋。我们相信这将使育种家能够以可控的方式解开进一步的杂种优势——多倍体中发现的渐进杂种优势。”

“我们建立的番茄MiMe系统将来也可以用作克隆种子生产的一个组成部分，即合成无融合生殖。这可以大大降低生产杂交种子的成本，”王亚忠补充道