來源 | 夢飛科學藝術空間

作者 | 盧寶榮

​常常有這樣的比喻：“以不變應萬變。”

這是指事物會時常發生變化，讓人無法預料。因此，要預知事物的可變性、靜觀其變、處變不驚，才能立于不敗之地。

這也告訴我們：變化是永恒的，而不變是暫時的。

恰恰就是這永恒的變化，才開啟了創造和創新之門。

“道可道也，非恒道也。” 變化對天地萬物的演繹和發展均至關重要。老子和達爾文都是在變化中悟到了天地萬物和生物演化“道”之偉人。

在人類文明的進程中，就是利用了各種植物産生的遺傳變異，如種子落粒基因的變異、種子休眠基因的變異、高産基因的變異、以及控制蛋白質和營養物質含量基因的變異等等，才有幸通過選擇，将野生物種逐漸馴化成為栽培的農作物。

○ 最早馴化的農作物範例：水稻、大麥、小米和大豆

如果沒有植物自身的遺傳變異，沒有我們祖先抓住那稍縱即逝的機遇，人類就不可能将野生植物變成為栽培的農作物。

然而，隻是坐等“老天爺”産生的天然變異，機會是很少的。人類的聰明就在于，他們總是在不斷思索和尋找加速創造變異的方法，并以此來進一步改良農作物，使之更好地為自己服務。

在上一集中，我們提到了利用人工雜交的方法來加速遺傳變異，并創造農作物的新性狀。利用有性雜交來改良植物性狀的曆史，可以追溯到二百多年前，雖然那時人們還講不清楚其中的道理。

○ 格雷戈爾·孟德爾在做豌豆的人工雜交實驗

回想到二十多年前，我曾經在越南的一個偏僻村寨考察水稻，看見一個農民将手中的野生稻種子撒到稻田中，我覺得非常納悶，就問他在幹什麼。他笑呵呵地說：“用這個（野生稻）給它們（栽培稻）結一下婚，以後它們就會長得好一些。”顯然，這就是一種非常原始的雜交方法，盡管這位農民大哥可能并不知道其中的原理。

通過種農作物不同品種之間的雜交，或者是農作物品種與其野生近緣種進行種間的雜交，再進行不斷的回交或自交，就可以将農作物品種或野生近緣種包含的有益基因，如抗病、抗蟲、優良品質等基因，轉移到需要對其進行改良的品種中，達到培育農作物優良新品種的目的。

○ 小麥在人工雜交之前要除去雄蕊，然後再進行授粉

但是，通過有性雜交的方法進行品種改良還有一個非常大的局限，就是用于雜交的雙親必須有足夠近的親緣關系（血緣關系），否則就很難将它們進行雜交。

親緣關系是指不同生物類群在演化的曆史過程中形成的遠近親疏關系。在雜交的過程中，植物雙親要經過花粉識别、配子親合性、受精後生殖隔離等，一系列複雜的相互檢驗和接受的過程。如果雙親的親緣關系太遠，就無法成功進行有性雜交。

○ 李振聲院士利用小麥與偃麥草遠緣雜交并育成了小偃麥系列品種

生長在沙漠中的胡楊樹具有很好的抗旱、耐寒等優良性狀，我們希望通過有性雜交的方式，将胡楊樹的這些控制優良性狀的基因轉移到水稻、小麥和玉米等常見的農作物，以便增強它們的耐寒性、抗旱性，但這是絕對不可能成功的。遇到親緣關系更遠的物種，雜交更是“門”都沒有！

○ 生長在沙漠中具有很好的抗旱、耐寒性的胡楊樹

那麼，遇到這些親緣關系比較遠、但是又包含了許多有益性狀的野生物種，是不是就隻有眼睜睜地看着，絲毫沒有辦法将其中的有益基因轉移到栽培作物品種，加以利用呢？

好消息是，聰明的科學家研究和創造出了一個非常巧妙的物種間雜交技術，立即就将不可能變成了可能，這種技術就叫做體細胞雜交（或稱原生質體融合）。利用體細胞雜交就可以避免生殖隔離障礙，将親緣關系很遠的植物都“雜交”在一起，并将野生近緣種的優良性狀轉移到栽培作物中。

○ 剛剛開始融合（上）和已經融合（下）的原生質體

我暈！又出現了新概念，啥叫體細胞雜交？啥叫原生質體融合啊？

不用着急，這裡有兩個新概念：一個是體細胞，另一個是細胞雜交，隻要明白了它們倆，體細胞雜交也就很容易明白了。

體細胞是生物的一類細胞，是相對于生殖細胞的一個概念。說得再直白一點，負責生殖的精細胞和卵細胞以及産生它們的母細胞（如植物中的花粉母細胞和大孢子母細胞）就是生殖細胞。那麼，除了生殖細胞之外的所有細胞都是體細胞。

高等生物的細胞絕大部分都屬于體細胞。

○ 植物的細胞都是被細胞壁所包裹

細胞雜交又稱原生質體融合，是指在特定的條件下将生物不同物種細胞的原生質體進行融合，獲得兼具有雙親遺傳性狀融合細胞的過程。對融合後的細胞可以進行離體培養，再培育出新的雜種個體。

通常，原生質體就是指裸露的細胞，植物的細胞是由細胞壁包裹住的，因此對于植物而言，除去了細胞壁所剩下的所有細胞物質就是原生質體。

○ 除去了細胞壁的植物（煙草）原生質體

有了上面概念的解釋，那麼體細胞雜交就非常容易理解了吧。體細胞雜交是指利用體細胞來進行雜交，并通過離體培養，最終獲得兼具有雙親遺傳性狀個體（如植株）的過程。

1972年科學家首次成功獲得了煙草不同物種之間的體細胞雜交再生植株。

後來，科學家又嘗試了西紅柿和馬鈴薯的體細胞雜交并獲成功。科學家曾幻想将馬鈴薯和西紅柿進行體細胞雜交，使雜交細胞具有雙親的全套遺傳信息，就能培育出一種新的農作物：地上部分可以結出美味可口的西紅柿，而地下部分可以長出營養豐富的馬鈴薯，這樣就可以充分利用地上和地下的生長空間，創造更高的産出。

○ 西紅柿-馬鈴薯：這是夢想，還是現實？

由于目前的技術不完善，科學家還沒有達到理想的境界，培育出完美的“柿薯新作物”。親愛的讀者，你們認為将來會有這樣的理想作物問世嗎？如果有，你喜歡吃這樣的西紅柿和馬鈴薯嗎？

通過體細胞雜交，育種家就可以繞過植物有性生殖的障礙，将兩個親緣關系較遠的物種（例如前面提到的水稻與胡楊）進行雜交了。通過對雜交成功細胞的離體培養和育種過程，就可以将野生近緣物種中有益的遺傳性狀或有益基因轉移到已經商品化種植的農作物的品種中，從而創造出更加優良的農作物新品種。

體細胞雜交或原生質體融合的技術，還可以進一步劃分為更細緻的方式，例如對稱融合、非對稱融合以及亞原生質體融合等等。讀者們千萬不要被這一連串的新名詞吓唬住了，這隻表明，體細胞雜交技術太能幹了，能夠解決多種問題。有興趣的讀者可以查一些相關資料來豐富自己的知識。

如果有許多讀者都覺得特别希望了解不同類型的原生質體融合技術，那請與小編（chunan5599）溝通，我會再寫一集相關的科普故事。

利用體細胞雜交來創造具有優良性狀的農作物新品種，已經在國内外都有了大量成功的案例，例如馬鈴薯與西紅柿、馬鈴薯與茄子、胡蘿蔔與羊角芹、甘藍與白菜、小麥與其野生近緣種、棉花的不同物種、香蕉的不同物種、以及柑橘的種間及屬間等植物的體細胞雜種。

○ 理想的馬鈴薯與茄子的細胞雜種

現實中已經有了非常成功的例子，我國山東大學生命科學學院的植物細胞工程研究團隊，就在體細胞雜交創造小麥優良新品種中做出了突出的貢獻。

該團隊利用小麥族的野生近緣種，例如簇毛麥、長穗偃麥草、中間偃麥草，以及玉米和燕麥等與優良小麥品種的體細胞進行融合，将優質、大穗、矮杆、抗病、耐寒和耐鹽等性狀轉移到了小麥品種，從而改良了小麥的這些性狀，培養出了衆多優良小麥品系。

○ 小麥與中間偃麥草體細胞漸滲系，左上角雜種幼苗，左下角雜種結的種子，右雜種的染色體。（圖片由山東大學夏光敏教授提供）

○ 小麥與野生近緣種體細胞雜種漸滲系中出現的大穗、優質、矮稈、抗病、抗旱和抗鹽品系。(圖片由山東大學夏光敏教授提供)

該團隊培育出的小麥與偃麥草體細胞雜種漸滲系耐鹽新品種“山融3号”，2004年就通過了品種審定，2006年成為了山東省主推品種，至2018年仍然被列為鹽堿地種植的推薦品種，在黃河三角洲廣泛種植。

○ 小麥與偃麥草體細胞雜交漸滲系培育的耐鹽新品種“山融3号”。(圖片由山東大學夏光敏教授提供)

由此可見，利用體細胞雜交來繞過有性生殖障礙，對農作物進行改良并創造具有特殊性狀的農作物新品種，已經不再是神話。技術的進步和完善，将讓體細胞雜交培育農作物新品種甚至新物種，變得更加容易。

有了這樣的技術，我們在民以食為天和确保糧食安全高效育種的艱難路途上，又增加了另一種選擇和成功的希望。

盧寶榮教授

生物學家，博士

複旦大學特聘教授，博導

國務院學位委員會學科評議組成員

科學與藝術的追夢人

關于“墨子沙龍”

墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民衆，力圖打造具有中學生學力便可以了解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。

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