科學家的綠色革命 開創煙草植物「無花粉、無籽」新篇章

北卡羅萊納州立大學的研究人員近日成功創造了一種特殊的煙草植物。這種煙草在外表上和普通的煙草無異，但其實它不能產生花粉和可生長的種子，儘管它仍然可以正常生長和結出果實。在未來，我們或許能夠利用相似的方法，來培育那些不產生種子的水果，就像我們常見的無籽西瓜或葡萄一樣。這不僅可以幫助我們更有效地利用農產品，還可以開發出新的高產農作物品種。

研究小組最初專注於植物細胞中負責產生能量的區域 - 粒線體。在許多植物中，粒線體的基因異常往往與無法產生花粉的特性有關。

這種特性被稱為「細胞質雄性不育」（Cytoplasmic Male Sterility, CMS），它已經成功幫助我們創建了多種高產的雜交種子。

「細胞質雄性不育」（Cytoplasmic Male Sterility, CMS）是一種特殊的植物生物特性，其中植物的雄性生殖器官（即產生花粉的部分）不能正常運作，從而使得植物無法產生花粉。什麼是CMS？CMS是由植物細胞中的細胞質基因（通常是粒線體基因）控制的，而不是由細胞核基因控制。

這種特性對於農業來說非常有價值，因為它可以用來生產雜交種子。當我們想要創造一種新的、高產的植物品種時，可以利用CMS特性來確保植物只能與特定的另一品種交配（因為它不能產生花粉來自我授粉）。這就能產生出具有特定優良特性的新一代雜交品種。不過目前，我們遇到的挑戰是要找到一種能夠在大規模、商業化的情況下可靠運作的CMS系統。

為了解決這個問題，研究小組採取了一項創新的策略。他們將一種名為atp1的粒線體基因轉移到了細胞核中，並利用一種特定的啟動子來控制它，使這個基因能夠在除了產生花粉的細胞之外的所有細胞中被表達。然後，他們使用基因編輯工具來永久刪除粒線體中原有的atp1基因。

這一方法的成功超越了研究團隊的預期。該研究的主要貢獻者拉爾夫·杜威（Ralph Dewey）教授表示：「這些植物在開花前看起來完全正常，但由於轉移的atp1基因不再表達，它們無法產生花粉。」更令人振奮的是，此項特徵將通過母系遺傳，這對大規模雜交種子生產至關重要。

不只花粉 連種子都沒了

另一令人驚訝的發現是，這些煙草植物不僅無法產生花粉，而且其種子表現也有異常。當它們與正常植物授粉時，會產生小型、空心的種子，類似於人們喜愛的「無核」水果，如西瓜和葡萄。

杜威教授強調，他們的研究不應僅限於煙草植物。未來的實驗將涵蓋在番茄（煙草的近親）中測試無核特性，以及在如稻米這樣的穀物中測試他們的新CMS特性，以評估其系統在實現最大產量的作物中的效能。

這項研究不僅為農業生產帶來革命性的影響，更開啟了將這項技術應用於其他植物品種的可能。「了解系統的工作方式，我們有理由相信這項技術可以有效地轉移至其他植物品種，」Dewey教授表示。

此項研究已發表在最新一期的《植物科學前沿》期刊上，為未來的農業科研和生產開闢了新的視野和可能性。

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參考論文：

1.Cytoplasmic male sterility and abortive seed traits generated through mitochondrial genome editing coupled with allotopic expression of atp1 in tobacco

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