编辑丨王多鱼
排版丨水成文
2026 年 7 月 21 日，中国水稻研究所王克剑团队（博士后陈文强为论文第一作者）在国产期刊Vita上发表了题为：Fixing hybrid vigor in rice: achieving near-100% clonal seed production with normal seed set的研究论文，这也是Vita创刊以来首篇植物科学领域的科研成果。
研究团队成功自主挖掘出水稻内源基因——“华胥”（HUAXU），并据此构建了克隆效率稳定超过99%的Fix8无融合生殖体系，由此培育出一系法杂交水稻概念性品种——“一系1号”。该品种不同株系和世代中，克隆效率稳定超过 99%，同时结实率保持正常。这标志着一系法杂交水稻成功实现了关键里程碑指标的跨越式突破，向着“固定杂种优势、无需年年制种”的终极目标迈出了关键一步。
杂交水稻为我国乃至全球粮食安全作出了不可替代的贡献。然而，目前大面积应用的三系法和两系法杂交水稻，由于后代遗传分离，无法留种再用，每年必须依赖雄性不育系与恢复系重新进行人工制种，这一过程技术难度大、生产风险高，导致杂交水稻种子的生产成本通常高达常规水稻种子的 10 倍以上。同时，由于杂交稻后代无法留种再用，一旦遭遇极端气候，极易面临无种可用的困境。
高昂的种子成本和较高的种植风险，不仅加重了农民负担、压缩了种植效益，更严重制约了杂交水稻的进一步推广。据统计，我国杂交水稻种植面积占比已从高峰期的近 70% 下降至目前的 50% 左右；而在海外市场，杂交水稻种植面积占比仍不足 5%，其巨大的增产潜力远未释放。对种子企业而言，每年须投入巨额资金开展制种工作，产销链一旦出现偏差，极易形成高库存、高亏损，给企业带来沉重的债务负担。
针对“杂交水稻无法留种，必须年年重新制种”这一世界性难题，袁隆平院士于 1986 年提出“从三系法到两系法，最终到一系法”的战略构想。一系法的核心目标，是通过无融合生殖让杂交作物产生基因保持不变的克隆种子，从而固定杂种优势，实现“一次杂交，代代可用”。理论上，仅需获得一粒杂交种子，即可实现杂交水稻的持续利用，无需每年重新制种。然而，这一构想若要大规模应用，业界普遍公认必须跨过一道硬性里程碑门槛：克隆种子效率稳定达到或接近 100%，同时确保结实率和产量不受影响。
常规稻、三系法、两系法和一系法杂交稻制种对比
2013 年起，中国水稻研究所王克剑团队启动“一系杂交稻探索计划”，并于 2017 年成功构建了首个杂交水稻无融合生殖体系Fix，获得世界首粒杂交稻克隆种子。该成果于 2019 年发表之后，袁隆平院士第一时间点评“这个工作证明了杂交稻进行无融合生殖的可行性”。同时勉励团队“希望再接再厉，努力解决还存在的问题，早日将一系法杂交水稻应用到生产”。
袁隆平院士勉励王克剑团队攻关一系法杂交水稻，提高克隆种子效率（供图：辛业芸研究员，袁隆平先生秘书）
几乎同时，美国科学院院士、加州大学戴维斯分校Venkatesan Sundaresan团队也首次在常规稻中建立了无融合生殖体系，经后期多个团队优化，其在杂交水稻中的克隆效率已高达 95% 左右，Nature杂志评论其“已接近商业化应用门槛，目前已在美国和印度推进田间试验”。相关成果获得国际学术界高度认可，Venkatesan Sundaresan 院士于 2024 年荣获有“农业诺贝尔奖”之称的沃尔夫农业奖，并于 2025 年 12 月再次荣获 VinFuture 全球科技奖，彰显了该领域的重要价值与全球影响力。
在前期工作基础上，王克剑团队近年持续攻关一系法杂交稻研究，先后建立了 Fix2、Fix3、Fix4、Fix5、Fix6 及 Fix7 等多个无融合生殖体系。为进一步推进体系优化与应用，团队聚焦于挖掘水稻内源具有应用潜力的自主知识产权基因，力求突破 100% 克隆效率的应用瓶颈，为实现一系法杂交稻的落地应用开辟可行路径。
高效、无副作用的孤雌生殖诱导：合成无融合生殖的两难困境
目前，实现杂交水稻无融合生殖主要有两条策略。其一是利用多重基因组编辑，同时敲除三个减数分裂相关基因，使有丝分裂替代减数分裂（即 MiMe 系统），从而产生克隆二倍体配子，并同时引入单倍体诱导基因。该策略理论上可避免外源基因整合，但克隆效率仍然较低。其二是将 MiMe 系统与卵细胞特异性表达孤雌生殖诱导基因（例如 BBM1、WUS 等）相结合。然而，克隆效率与种子育性之间存在着明显的拮抗关系——高克隆效率的株系往往结实率大幅下降。
克隆效率直接关乎种子纯度。我国对杂交稻生产纯度的最低要求为 97%，常规稻不低于 99%。业界普遍认为：一系法杂交稻若像常规稻一样自我繁育，克隆效率必须稳定达到或接近 100%，同时保持正常的结实率和产量。这迫切要求开发出适用范围更广、诱导效率更高、且副作用更少的孤雌生殖诱导因子。
“华胥”基因：高效、低副作用孤雌诱导的关键
长期以来，科学界推测：卵细胞受精后，精子可能携带着启动胚胎发育的关键转录信号。若找到这一起始调控因子，便有望开发出高效的孤雌生殖工具。值得注意的是，迄今为止，所有被鉴定出在卵细胞中异位表达时能触发孤雌生殖的基因，其编码的转录因子均具有广泛的表达模式和多样的发育功能。其中，BBM1 表现出最为特异的表达，但其不仅在精子和受精卵中高表达，还在后续胚胎发育过程中持续表达，表明其作用不止于胚胎发生的初始诱导阶段。这些发现引出了一个关键问题：是否存在专门用于启动胚胎发生的特定因子？这类可能仅存在于精子和早期受精卵中的因子，或可诱导实现 100% 效率的无融合生殖。
基于以上实验思路，王克剑团队通过多组学分析，筛选到一个转录因子并将其名为“华胥”（HUAXU）。该基因仅在精细胞中特异高表达，在卵细胞中不表达，受精后合子中极低表达；与前期克隆的 BBM1 等基因不同，华胥基因在其他组织（例如根、茎、叶、愈伤组织、幼胚等）中完全不表达。这一表达模式完美契合“仅在受精时由精子递送至卵细胞，触发启动胚胎发育，无其他功能”的预期。
华胥的命名灵感，源自中国古代神话中被尊为中华始祖母的“华胥氏”。据《山海经》郭璞注：“华胥履大迹生伏羲”。《帝王世纪》云：“有巨人迹出于雷泽，华胥以足履之，有娠，生伏羲于成纪，蛇身人首，有圣德”。《春秋世谱》亦载：“华胥生男名伏羲，生女名女娲”。这一无须父本参与而孕育生命的传说意象，恰好与孤雌生殖的非双亲遗传发育机制遥相呼应。
卵细胞异位表达HUAXU高效诱导孤雌生殖和单倍体
为验证卵细胞异位表达 HUAXU 能否诱导孤雌生殖，研究团队利用水稻卵细胞特异启动子 OsECA 驱动 HUAXU，构建载体并转化至三系杂交稻“春优 84”中，获得 4 个独立株系。细胞学实验表明，T0代卵细胞中异位表达 HUAXU 后，未受精情况下卵细胞自主发育成胚的效率高达 47.4%。流式细胞术、分子标记、全基因组测序及表型观察进一步证实，自交后代中单倍体比例达 20.0%~57.4%。尤为重要的是，部分株系在高效诱导孤雌生殖的同时，结实率并未受影响。
卵细胞异位表达HUAXU在部分株系中不影响结实率
Fix8：克隆效率稳定超过99%
为了利用 HUAXU 基因构建新的无融合生殖体系，研究团队团队将卵细胞异位表达 HUAXU 与 MiMe（同时敲除减数分裂关键基因 OSD1、PAIR1、REC8）克隆配子体系结合，构建出无融合生殖载体并转化至“春优 84”，获得 5 个独立株系，命名为Fix8（Fixation of Hybrids 8）。
MiMe 突变体单独存在时，后代全为四倍体；但 Fix8 的 T0后代经流式细胞术检测，全部为二倍体，且分子标记和全基因组测序确认这些二倍体均为克隆后代。在 3 个大规模 T2群体（分别含 1104、1180、806 株）中，二倍体克隆效率稳定在99.7%~99.8%，稳定高于商用杂交水稻种子纯度 97% 的标准，甚至达到了自交常规水稻 99% 的标准。
Fix8实现稳定超过 99%的克隆效率和部分株系的高结实率
为检验遗传背景影响，研究团队又在另外 5 个不同父母本的优质杂交稻品种中测试，共 23 个独立 Fix8 株系，克隆效率均稳定接近 100%。这说明 Fix8 体系具有广泛的品种适应性。更令人振奋的是，部分 Fix8 株系在多年、多地点种植中，结实率和主要农艺性状与对照杂交稻无显著差异，即使在大田群体条件下，克隆效率、结实率和田间表现依然稳定。
Fix8_Plus2：近100%克隆效率和正常结实率
尽管所有 Fix8 株系克隆效率近 100%，但大部分株系的结实率受严重影响，部分品种甚至找不到结实率正常的株系。研究团队推测，OsECA 启动子驱动 HUAXU 表达过强，可能是造成育性下降的主因。
为此，研究团队通过筛选新的内源卵细胞特异启动子、优化了基因表达强度，升级获得Fix8_Plus2（概念性品种名“一系1号”）。升级后，大部分株系在保持克隆效率接近 100% 的同时，产量与正常水平持平，下一代种植显示这些性状同样能够稳定传递到下一代。这意味着“一系法”长期追求的两大核心目标——稳定近 100% 克隆效率与正常结实率——终于能够高效兼得。
“一系1号”：稳定近 100% 克隆效率和正常的结实率
综上，该研究挖掘出的内源基因HUAXU，结合 MiMe 系统构建的 Fix8 及升级版 Fix8_Plus2，已在多品种、多株系、多世代中稳定实现近 100% 克隆效率，为永久固定水稻杂种优势提供了稳定高效的策略。这不仅为一系法杂交稻走向现实打破了关键瓶颈，也为其他作物的无融合生殖育种开辟了新思路。
未来，研究团队将持续优化迭代，着力于内源 HUAXU 的精准调控、无标记且无外源整合的编辑技术开发，并开展多年、多点的大规模田间验证，最终创制不含任何外源序列、安全稳定的一系法杂交水稻品种。
今年恰逢“杂交水稻之父”袁隆平院士提出杂交水稻雄性不育系利用理论 60 周年、提出一系法杂交水稻战略构想 40 周年。论文在致谢部分向已故袁隆平院士致以最深切的敬意，感谢他对项目团队工作的鼓励与指导。研究受国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家水稻产业技术体系和中国农科院科技创新工程等资助。中国水稻研究所王克剑研究员为通讯作者，博士后陈文强为第一作者。该工作部分内容于 2025 年 10 月 16 日与 17 日分别以中文和英文预印本形式在 ChinaXiv 与 bioRxiv 预印本平台发布。
Vita期刊介绍：Vita是一本新创办的国际开放获取期刊，旨在发表生命科学与生物医学全领域的杰出研究成果，此类研究或为理解引人入胜的重要生物学问题提供关键性概念突破，或带来颠覆性的技术、转化及临床创新。该期刊由高等教育出版社出版，在生命科学开放联盟所有成员机构的共同支持下建设。期刊由李党生教授和施一公教授担任共同主编。Vita正刊完全 Open Access，不收取 OA 费和版面费，助力高水平科学成果的传播。
论文链接：
https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.07.0053
热门跟贴