人才強校 | 陳紹江教授課題組成功克隆新的玉米單倍體關鍵誘導基因...

本網訊 我校陳紹江教授研究團隊在玉米單倍體育種技術研究中再次取得突破：團隊歷經10餘年不懈努力，在國際上率先克隆了首個非Stock6來源的玉米單倍體誘導關鍵基因ZmDMP，這是該團隊繼克隆關鍵誘導基因ZmPLA1後取得的又一重大進展，這一關鍵基因的克隆為理解單倍體高頻誘導的成因奠定了堅實的理論基礎。研究成果以「Mutation of ZmDMP enhances haploidinduction in maize」為題，於2019年6月10日在植物學領域頂級期刊《Nature Plants》上發表。

玉米是典型的利用雜種優勢農作物之一，由純合自交系組配的優良雜交種是玉米持續增產的基礎，因此，純系選育是玉米育種的核心技術。傳統方式選育純系需要8個世代以上的連續自交才能達到遺傳上的基本純合，而該課題研究的單倍體育種技術能夠在2個世代獲得純系，是目前純系創製速度最快方法之一。大大加快了育種進程。目前該技術已廣泛應用並成為現代玉米育種的關鍵核心技術之一，實現了傳統選系技術和育種模式的變革。

在單倍體育種技術中，雜交誘導是首個關鍵技術環節，優良的誘導性能是決定其在育種實踐上能否應用的關鍵，因此，解析單倍體誘導特別是高頻誘導的遺傳基礎是探索誘導之謎和提升單倍體育種效率的關鍵，也是植物學界關注的重要科學問題。該課題組經過長期研究，已經證明磷脂酶基因ZmPLA1序列上的4個鹼基插入所導致的基因功能缺失是單倍體誘導能力產生的關鍵（Liu et al.,2017）。然而，ZmPLA1基因並不能完全解釋高頻誘導現象。因此，對qhir8的定位克隆對於闡明單倍體高頻誘導的遺傳基礎具有重要意義。

單倍體誘導基因克隆的難點在於需要大量的雜交誘導籽粒的鑑別篩選。在qhir8精細定位和克隆過程中，該課題組利用其選育的兩個誘導系CAUHOI和CAU5組配的群體進行圖位克隆。先後從2萬多個F2單株中篩選出37個交換單株，以基因分型子代測驗的方法，將qhir8的候選基因區間縮小至318 bp，鎖定了編碼DUF679結構域膜蛋白（DUF679 domain membrane protein）的基因ZmDMP及其功能位點。該基因編碼205個胺基酸，研究團隊利用基因編輯等方法驗證了該基因就是單倍體誘導的關鍵貢獻基因。研究結果表明，在ZmPLA1突變的基礎上，ZmDMP起始密碼子下遊的第131bp上T到C的單鹼基替換導致胺基酸的錯義突變，進而將單倍體誘導率提高2~3倍。將ZmDMP完全敲除則可進一步將單倍體誘導率提高5~6倍，呈現出顯著的倍增效應。非常值得關注的是，該研究還發現了ZmDMP基因敲除後具有獨立的誘導單倍體能力，這是首次在非stock6材料上發現獨立誘導現象。該發現將有望為下一步的高頻單倍體誘導系選育提供新的研究方向。通過ZmDMP的表達模式和亞細胞定位分析發現，該基因與ZmPLA1具有一定的相似性，均在成熟的花粉中表達和定位在細胞膜上。表明ZmDMP與ZmPLA1有可能在單倍體誘導的過程中參與相同的通路。

該研究克隆的非Stock6來源的玉米單倍體誘導關鍵基因ZmDMP不僅可為遺傳學與生殖生物學研究提供新的借鑑，而且在實踐上也將為基於分子標記輔助選育及基因編輯技術創建高頻的單倍體誘導系奠定堅實的基礎。

值得一提的是，陳紹江教授課題組二十多年來一直致力於玉米單倍體育種技術體系研發及單倍體誘導的遺傳、生物學機制研究。在技術研究方面，先後突破了高效誘導、精準鑑別和高效加倍三大關鍵技術，創建了高效的單倍體育種技術體系，並實現了廣泛的應用。相關研究成果先後獲得了2016年度教育部技術發明一等獎，2017年大北農科技獎植物育種獎。

課題組鍾裕、劉晨旭、祁曉龍和焦炎炎為論文共同第一作者，陳紹江教授為通訊作者，國家玉米改良中心賴錦盛教授，金危危教授和劉文欣副教授等對本項研究提供了支持。研究得到了國家863計劃和重點研發計劃及現代玉米產業體系項目的資助。

責任編輯：潘彩清