本網訊 農學院陳紹江教授團隊在玉米單倍體育種技術的拓展應用上再次取得突破性進展。研究團隊通過對基因序列比對分析，發現玉米單倍體誘導基因ZmDMP在雙子葉植物中的保守性較高。為驗證其在雙子葉植物上的功能，研究團隊對擬南芥中的ZmDMP同源基因進行敲除，成功獲得了擬南芥的單倍體。該研究首次將玉米孤雌生殖單倍體的誘導方法拓展至雙子葉植物擬南芥中，並建立了基於螢光的擬南芥單倍體籽粒鑑別方法，為建立雙子葉作物單倍體育種技術體系奠定了基礎。研究成果以「A DMP-triggered in vivo maternal haploid induction system in the dicotyledonous Arabidopsis」為題於5月15日在Nature Plants期刊發表。
大田作物生產是維持人類生存的重要物質基礎，在植物學上可以分為單子葉和雙子葉作物兩大類，單子葉作物主要包括水稻、小麥和玉米等，雙子葉主要包括大豆、油菜、棉花及番茄、黃瓜等作物。無論是對於單子葉作物還是雙子葉作物，純系創製均是其育種過程的關鍵環節。單倍體育種技術可加速純系選育進程，且與基因編輯技術結合可實現對自交系的快速定向改良，能夠極大地提高育種效率，是作物育種中的共性關鍵技術。目前，單倍體育種技術已在玉米育種中得到了大規模應用，且控制玉米單倍體誘導的關鍵基因已被克隆，這為以雜交誘導為基礎的單倍體育種技術體系在其他作物中的構建提供了可鑑路徑。目前，磷脂酶基因ZmPLA1已在水稻、小麥上成功獲得了單倍體。但該基因僅在單子葉作物中具有較高保守性，由此在雙子葉作物上的應用存在一定限制。為此，研究團隊在克隆另一個關鍵誘導基因ZmDMP的基礎上，通過基因序列比較分析，發現該基因在大部分雙子葉植物中具有較高保守性，因此在功能上可能具有保守性。
為驗證ZmDMP同源基因在雙子葉植物中的單倍體誘導功能，該研究以模式植物擬南芥為例進行研究。利用基因編輯技術對ZmDMP在擬南芥中的同源基因DMP8和DMP9進行敲除，獲得了不同類型的dmp突變體。實驗結果表明，dmp突變體自交或與不同生態型材料的雜交後代中，不僅可導致大量未發育和敗育種子的產生，還可誘導產生約為2.11%的單倍體。與dmp8或dmp9單突變體相比，dmp8dmp9雙突變體具有更強的單倍體誘導能力，表明dmp8與dmp9間存在功能上的冗餘。為了確定dmp突變體誘導產生的單倍體母本來源的特性，該研究對78個來源於Ler ms1-1×dmp8dmp9的單倍體進行全基因組測序。結果表明，這些單倍體中不存在可信的父本片段和非整倍體片段，說明dmp突變體可誘導產生純母本來源的單倍體。此外，為了提高對單倍體種子的鑑別效率，該研究還建立了一個基於FAST-Red螢光標記的單倍體鑑別系統，該系統鑑別準確率可達90%以上。
該研究首次將玉米單倍體的誘導體系拓展至雙子葉植物，證明了ZmDMP的同源基因在模式植物擬南芥中也具有單倍體誘導功能，這一發現不僅可為植物生殖生物學的理論研究提供重要參考，而且也為探索在雙子葉作物創建以誘導基因為基礎的單倍體育種技術開闢了新的實踐突破路徑。由此將有望引領單雙子葉作物單倍體快速育種技術新體系的創建，為作物育種共性核心技術的創新及應用展現了廣闊前景。
中國農業大學國家玉米改良中心陳紹江教授和劉晨旭為共同通訊作者，課題組鍾裕、陳寶建和李夢然為論文共同第一作者。劉文欣副教授、瓦赫寧根大學高級研究員Kim Boutilier以及葉德教授等對本項研究提供了支持。該研究得到了國家863計劃和重點研發計劃、現代玉米產業體系、國家自然科學基金和國家留學基金的資助。
責任編輯：馬文哲