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诱导物的父本染色体消除引发油菜双单倍体的诱导
合成的八倍体油菜籽 Y3380 在用作花粉供体为植物授粉时可诱导母本双单倍体。但双单倍体形成的潜在机制仍不清楚。我们推测双单倍体诱导发生在诱导系的染色体传递到母本卵细胞，并通过受精形成合子时。在合子有丝分裂过程中，父本染色体被特异性地消除。在消除过程中，部分父本基因可能通过同源交换渗入母本基因组。然后，合子单倍体基因组加倍（早期单倍体加倍，EH 现象），加倍的合子继续发育成完整的胚胎，最终形成双单倍体后代。为了验证假设，本研究以八倍体Y3380品系为标记，将4122-cp4-EPSPS外源基因回交，得到六倍体Y3380-cp4-EPSPS作为父本材料，对3个不同的母本材料进行授粉。在授粉后48 h观察诱导品系与母本杂交的受精过程，受精率分别达到97.92%和98.72%。授粉12 d后，用原位PCR检测胚中存在cp4-EPSPS，授粉后13 — 23 d，F 1 胚含有cp4-EPSPS基因的概率高达97.27%，而后逐渐下降，在23 — 33 d时为0%。同时免疫荧光观察了3~29天胚胎中cp4-EPSPS的表达情况。随着胚胎的发育，cp4-EPSPS标记基因不断丢失，伴随胚胎死亡，30天后在存活的胚胎中检测不到cp4-EPSPS的存在。同时对诱导后代的SNP检测证实了双单倍体的存在，进一步表明诱导过程是由于父本染色体特异性的丧失引起的。四倍体诱导后代表现出诱导系基因位点的筛选，有杂合性，也有纯合性。结果表明，在诱导过程中，诱导系染色体被消除。
CRISPR–Cas9 介导的拟南芥可遗传染色体易位的诱导
成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) - CRISPR 相关蛋白 (Cas) 技术已应用于植物育种，主要用于改良单个或多个性状的基因 1 – 4 。本文我们表明，这项技术还可用于重组植物染色体。利用来自金黄色葡萄球菌 5 的 Cas9 核酸酶，我们能够在拟南芥中诱导异源染色体之间 Mbp 范围内的相互易位。值得注意的是，在没有经典的非同源末端连接途径的情况下，易位频率大约高出五倍。利用 Cas9 核酸酶的卵细胞特异性表达和连续的批量筛选，我们能够分离可遗传事件并建立易位纯合的品系，单个品系的频率高达 2.5%。通过分子和细胞学分析，我们证实了在拟南芥 1 号和 2 号染色体之间以及 1 号和 5 号染色体之间获得的染色体臂交换是保守的和相互的。诱导染色体易位可以有针对性地模拟基因组进化或染色体修改，固定或打破不同染色体上性状之间的遗传连锁。植物基因组的受控重组有可能改变植物育种。鉴于养活快速增长的人口的挑战以及气候变化对农业的影响，对新作物品种的需求日益增加。随着传统育种已达到极限，使用基因组编辑工具对作物进行理想性状改造正成为主要关注点 6 。应用 CRISPR-Cas 系统定向诱导位点特异性双链断裂 (DSB) 使得基因编辑既可用于植物基础研究，也可用于农业性状的产生和改良 7 。在包括植物在内的多细胞真核生物中，DSB 的修复主要由两种途径介导，非同源末端连接 (NHEJ) 和同源重组 8 。通过易错的 NHEJ 进行的修复通常与断裂位点处的序列信息丢失有关，而同源重组主要导致无错修复 9 。在植物中，NHEJ 是体细胞组织中普遍的修复途径。NHEJ 可进一步细分为经典 NHEJ (cNHEJ) 和替代 NHEJ (aNHEJ) 途径 10 。在 cNHEJ 的情况下，断端直接重新连接，有时会导致断裂位点处的小插入或缺失 (indel)。aNHEJ 利用靠近断裂位点的微同源性并依赖于聚合酶 theta，导致与插入部分相关的微同源性之间的序列信息缺失 11,12 。一次诱导多个 DSB 可以通过 NHEJ 将不相关的断裂末端连接起来，从而导致基因组中复杂的重排。
植物无融合生殖的分子基础
植物的有性生殖是一个复杂且受到严格调控的过程，可产生新一代的散播体：有性种子。传统上，在创造新作物品种的过程中，有性生殖被用来分离或选择性地组装所需的基因和性状。然而，有性的利用也给植物育种带来了限制，包括种子成本高昂且方法耗时。在植物育种过程中，可以通过依次利用有性和无融合生殖来缓解大多数这些限制。无融合生殖是一种协同机制的结果，该机制利用性机制并以协调胚珠发育步骤的方式发挥作用，从而产生无性（克隆）种子。有性发育的改变涉及减数分裂、配子发生以及胚胎和胚乳形成中广泛表征的功能和解剖变化。无融合生殖植物的胚珠跳过减数分裂，形成未减数的雌配子体，其卵细胞发育成孤雌生殖胚胎，中央细胞可能与精子融合，也可能不融合，形成种子胚乳。因此，功能性无融合生殖至少涉及三个组成部分，即无融合生殖 + 孤雌生殖 + 胚乳发育，这些组成部分是从有性生殖改良而来的，必须在分子水平上进行协调，才能完成发育步骤并形成克隆种子。尽管最近在发现与无融合生殖样表型和克隆种子形成相关的特定基因方面取得了进展，但无融合生殖的分子基础和调控网络仍然未知。这是目前无融合生殖育种局限性的核心问题。本期特刊汇集了 12 篇围绕无融合生殖分子基础的不同主题的出版物，展示了最近在理解该性状的遗传调控方面取得的发现和进展，并讨论了无融合生殖的可能起源及其在植物中商业化应用的其他挑战。由于无融合生殖是一种基于有性生殖功能获得或丧失突变的现象的理论仍未得到解决，Barcaccia 等人 [ 1 ] 重新评估了被子植物无融合生殖的进化起源及其替代发育途径，并提出了系统发育和遗传证据，支持无融合生殖是从有性生殖进化而来的，是由于有性发育中关键参与者的分子破坏而导致的。此外，Schmidt [ 2 ] 概述了高等植物无融合生殖的分子方面，并清楚地解释了无融合生殖发育所涉及的调控复杂性，强调了 DNA 和 RNA 结合蛋白以及非编码 RNA 在通过表观遗传调控机制激活和抑制发育程序中的积极作用。同样，Ortiz 等人 [ 3 ] 在以 Paspalum spp. 为例的研究中总结了有关无融合生殖的大量信息。并详细介绍了该属无融合生殖发育的关键方面和所使用的各种遗传分析，包括基因组位点的分子表征、三个生殖候选基因（ ORC3 、 QGJ 和 TGS1 ）的功能表征以及进一步基于基因组的研究路线图。从不同的植物物种中获得了有关无融合生殖的进一步分子细节。Mateo de Arias 等人 [ 4 ] 使用遗传和细胞胚胎学分析结合应激处理对五个物种进行了研究，以提供大量证据支持多态性