大豆（Glycine max）是全球经济和社会影响力最大的作物之一，为动物提供了大量的蛋白质，并在石油生产、制造业及生物燃料应用中扮演着重要角色。2022年，美国的大豆产量预计为43亿蒲式耳，较前一年减少了近2亿蒲式耳。
为了应对日益增长的对大豆饲料的需求，美国农业部预计到2032年大豆种植面积将增加19.6%。大豆是美洲种植和消费最广泛的作物之一，杂交育种有潜力提升大豆的生产力，但这一领域尚未得到充分开发。
唐纳德·丹福斯植物科学中心与康奈尔大学的科学家们进行的一项新研究提供了一种关键技术，能够在大豆中实现专性异交。最近发表在《植物生物技术杂志》上的研究表明，利用barnase/barstar系统的专性异交为扩大杂交结种提供了新的资源，使这一主要作物的杂种优势能够进行大规模试验。
目前，大豆99%为自花授粉，这限制了杂交带来的潜在收益。一个多世纪以来，杂交育种被用于提高作物的活力和产量，而无需增加投入。尽管这种方法在作物生产力上取得了一些显著成果，但育种障碍仍然限制了大豆从杂交活力中获益。
大豆的花朵不显眼，且在开放前自花受精，因此异交并不容易。这在一定程度上是由于现有方法的局限性，未能在大豆中实现可靠的专性异交。
研究小组证明，Barnase/Barstar雄性不育/雄性拯救系统可用于大豆杂交种子的生产。通过在大豆花药的绒毡带特异性启动子下表达细胞毒性核糖核酸酶Barnase，他们成功阻断了花粉的成熟，产生了雄性不育植株。同时，当这些表达Barnase的系与表达Barnase抑制剂Barstar的植物的花粉杂交时，F1代的育性得以恢复。
“重要的是，我们发现成功挽救雄性生育能力取决于Barnase和Barstar的相对剂量。当Barnase和Barstar在相同的绒带特异性启动子下表达时，F1后代保持雄性不育。我们在比Barnase更强的启动子下表达Barstar时，成功挽救了F1代的雄性生育能力，”该研究的合著者、丹佛斯中心首席研究员Patricia Baldrich博士表示。
这项研究证明了生物技术方法在大豆中成功产生可育杂交后代的可行性。考虑到大豆对全球农业的重要性，提升大豆生产力可能会带来变革性的影响，并通过使农民在现有面积上实现更高的产量来促进可持续农业。
“改良大豆是农民、植物育种家和科学家的长期目标，”丹佛斯中心首席研究员、密苏里大学植物科学教授布莱克·迈耶斯博士说。“这一改进可能会产生实质性的影响，并为面临困境的传粉者提供帮助。”
“这项工作是开发大豆杂交育种系统的第一步。看到康奈尔大学的博士生、本文的第一作者Nicole Szeluga将这个项目从设计转化为成果，我感到非常自豪。我期待看到团队项目在未来几年的发展，”通讯作者玛格丽特·弗兰克博士说，她是康奈尔大学综合植物科学学院的助理教授。
由于所谓的“杂交活力”，异花授粉的大豆有潜力提高产量，为传粉者提供饲料，并使农民在更少的土地上生产更多的大豆。为了实现这一目标，该团队目前正在研究额外的大豆花性状，这些性状与雄性不育系叠加或结合时，将形成一种系统的方法，使杂交大豆种子的生产成为可能。
“作为一名研究生，我在观察这个项目的不断发展过程中感到非常满意，从概念化到实验，再到彻底的数据分析和出版。我很高兴能成为这项有可能给世界带来重大变化的研究的一部分，”密苏里大学USDA-NIFA-AFRI博士前研究员、迈耶斯实验室成员Ryan DelPercio补充道。
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