植物的異種雜交成功術

小時候學生物，老師們總是會提到「種」（species）的定義包括了「在自然狀況下能交配並產生具有繁殖能力的下一代」這個「天條」，而研究新種的演化時，也常常會提到「生殖隔離」是新種演化的一個重要階段。

不過，對動物來說，不同種雜交，產生的下一代幾乎都沒有生殖能力。如馬與驢雜交產生騾，就沒有生殖能力。

但是，很奇妙的，植物好像比較不受到這個限制。最有名的大概就是小麥了！麵包小麥是所謂的「異源六倍體」（allohexaploid），體內有三種不同植物的基因；而台東很重要的農作物「鳳梨釋迦」，也是我們很熟悉的釋迦與南美洲釋迦的雜交種。

雖然看起來植物好像比較容易產生異源多倍體，但這並不意味著不同種植物間不存在著生殖隔離。如不同種的薺菜（Capsella）之間的雜交，就常常失敗。

薺菜。圖片來源：維基百科

最近的一個研究，解開了薺菜到底為什麼雜交那麼難的原因。

研究團隊利用了三種薺菜：Capsella orientalis（Co）、Capsella rubella（Cr）與Capsella grandiflora（Cg）進行雜交。這三種薺菜，其中Co與Cr是自交種，Cg是異交種。當Cg是母本、Cr是父本，或Cr是母本、Co是父本時，雜交會成功；但是若以Cr為母本、Cg為父本，或是Co為母本、Cr為父本時，雜交就會失敗。他們發現，雜交失敗的種子裡面，出現胚乳細胞化延遲以及種子發育終止的現象。

因為這個現象很像母本少了RNA聚合酶IV的次單元的突變株，而觀察染色質也發現，雜交失敗的種子胚乳的染色質變得鬆散，這個也符合少了RNA聚合酶IV次單元的性狀。

少了RNA聚合酶IV次單元的植物，還會因為無法合成小RNA，造成染色體的甲基化（methylation）降低；於是研究團隊觀察胚乳甲基化的程度，發現果然甲基化的程度也降低了。

既然甲基化的程度降低了，那麼，小RNA是不是也變少了呢？研究團隊分離了胚乳組織進行小RNA定序，結果發現，在雜交失敗的種子中，小RNA的量明顯減少。尤其是一種被稱為sirenRNA的小RNA，減少了很多。

sirenRNA是一種大約24個核苷酸長的小RNA，最早是在2013年從水稻的胚乳中發現。發現它的研究團隊發現，sirenRNA主要來自於母本，且在胚乳中大量表現。因此，就將它命名為siren，意為「胚乳中的小干擾RNA」（small interfering RNAs in the endosperm）。

他們發現，當sirenRNA大量減少時，會造成一些特定的基因，如AGL（AGAMOUS-like MADS-box）的表現量上升。AGL是轉錄因子，負責調控胚乳增殖、控制胚乳細胞化的時間。當AGL表現太高時，會造成胚乳發育異常。也就是說，當sirenRNA變少時，AGL的表現量上升，造成胚乳發育異常，所以就無法產生種子。

如果雜交失敗是因為來自母本的sirenRNA不夠多，那麼，是不是可以靠著提高母本sirenRNA的量，來提高雜交成功率呢？是的！研究團隊發現，當他們使用了四倍體的薺菜作為母本、二倍體的薺菜作為父本進行雜交時，就算母本是Cr、父本是Cg，或是母本是Co、父本是Cg，種子還是能夠正常發育。也就是說，當來自母本的sirenRNA量足夠時，AGL基因的表現就無法增加太多，於是胚乳可以正常發育。

這個發現，符合所謂的「親本衝突理論」：在這個理論中，來自母本的調控因子主要會抑制胚乳生長，而來自父本的則有相反的效果。這也意味著，只要可以提高母本的sirenRNA比例，要進行成功的異源雜交並不難。

不只是薺菜，科學家們在阿拉伯芥、水稻、番茄中也常觀察到異種雜交的種子無法發育的現象；而且，也都與sirenRNA有關。

不過，小麥似乎特別容易進行異種雜交，是否是因為小麥並沒有類似的機制呢？經過搜尋資料庫，目前好像還沒有找到小麥有sirenRNA，但還沒找到並不代表已經有人努力過但失敗，所以目前也不能妄下定論。

總而言之，這個研究讓我們瞭解，異種雜交的成功關鍵，在於母本是否能提供足夠的sirenRNA。這也意味著未來在進行異種雜交時，可以考慮用一些方法來提高母本sirenRNA的量，好讓異種雜交的成功率提升。

參考文獻：

Dziasek, K., Santos-González, J., Wang, K. et al. Dosage-sensitive maternal siRNAs determine hybridization success in Capsella. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01844-3