中科院遺傳所程祝寬課題組創製水稻無融合生殖遺傳材料

2021-02-25 BioArt植物

近期，Journal of Integrative Plant Biology 在線發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所程祝寬課題組題為 A strategy for generating rice apomixis by gene editing  的研究論文。該研究利用CRISPR/Cas9技術對水稻中4個減數分裂和單倍體誘導相關基因進行編輯，創製了水稻無融合生殖遺傳材料。

無融合生殖是一種特殊的植物無性繁殖方式。通過無融合生殖，植物可以產生與母本基因型相同的克隆種子後代。在作物中導入無融合生殖可以實現F1雜交優勢及任何複雜基因型在世代間的固定。儘管無融合生殖在上百種被子植物中被發現，但在栽培作物中卻缺乏穩定的無融合生殖現象的報導。在自然植物物種中發現了一系列參與形成無融合生殖的遺傳位點，但目前還沒有將它們運用到栽培作物中，來實現無融合生殖的繁殖方式。

該研究通過基因編輯技術，對水稻中OsSPO11-1、OsREC8、OsOSD1以及OsMATL同時進行敲除，獲得四突變體AOP（Apomictic Offspring Producer）。OsSPO11-1、OsREC8和OsOSD1是參與水稻減數分裂過程的三個重要功能元件。其中，OsSPO11-1參與減數分裂DSB的形成，是染色體同源重組起始的關鍵。OsREC8是姊妹染色單體間黏連複合物的關鍵組分，而OsOSD1是實現減數分裂從第一次分裂過渡到第二次分裂的關鍵組分。同時敲除這三個基因可以導致水稻減數分裂細胞同源重組消失，姊妹染色單體提前解離，並導致第二次減數分裂消失，從而實現從減數分裂到有絲分裂的轉變，形成二倍體的克隆配子。對四突變體 AOP 的減數分裂細胞進行染色體行為觀察，發現其減數分裂過程確實轉變成了有絲分裂過程。進一步運用免疫螢光細胞學實驗觀察，發現指示同源重組的關鍵細胞學標記γH2AX、OsMER3和HEI10在 AOP 中均沒有信號，說明同源重組在突變體中確實沒有發生。螢光原位雜交實驗表明，AOP 形成的小孢子是二倍體細胞。這些結果均表明 AOP 確實產生了二倍體的克隆配子。通過上述觀察，OsMATL的突變對二倍體克隆配子的形成沒有影響，OsMATL在水稻中突變後可以使得突變體在自交或作為父本進行雜交時具有2%-6%的誘導單倍體的能力。通過組合Osmatl和上述三個減數分裂基因的突變，可以實現二倍體克隆配子轉變為二倍體克隆後代，從而實現無融合生殖。

程祝寬課題組的博士生謝恩為該論文第一作者，程祝寬研究員為通訊作者。該研究得到了中國科技部及國家自然科學基金的經費支持。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.12785

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