人才强校 | 陈绍江教授团队实现双子叶植物单倍体诱导技术突破
本网讯 农学院陈绍江教授团队在玉米单倍体育种技术的拓展应用上再次取得突破性进展。研究团队通过对基因序列比对分析，发现玉米单倍体诱导基因ZmDMP在双子叶植物中的保守性较高。为验证其在双子叶植物上的功能，研究团队对拟南芥中的ZmDMP同源基因进行敲除，成功获得了拟南芥的单倍体。该研究首次将玉米孤雌生殖单倍体的诱导方法拓展至双子叶植物拟南芥中，并建立了基于荧光的拟南芥单倍体籽粒鉴别方法，为建立双子叶作物单倍体育种技术体系奠定了基础。研究成果以“A DMP-triggered in vivo maternal haploid induction system in the dicotyledonous Arabidopsis”为题于5月15日在Nature Plants期刊发表。
大田作物生产是维持人类生存的重要物质基础，在植物学上可以分为单子叶和双子叶作物两大类，单子叶作物主要包括水稻、小麦和玉米等，双子叶主要包括大豆、油菜、棉花及番茄、黄瓜等作物。无论是对于单子叶作物还是双子叶作物，纯系创制均是其育种过程的关键环节。单倍体育种技术可加速纯系选育进程，且与基因编辑技术结合可实现对自交系的快速定向改良，能够极大地提高育种效率，是作物育种中的共性关键技术。目前，单倍体育种技术已在玉米育种中得到了大规模应用，且控制玉米单倍体诱导的关键基因已被克隆，这为以杂交诱导为基础的单倍体育种技术体系在其他作物中的构建提供了可鉴路径。目前，磷脂酶基因ZmPLA1已在水稻、小麦上成功获得了单倍体。但该基因仅在单子叶作物中具有较高保守性，由此在双子叶作物上的应用存在一定限制。为此，研究团队在克隆另一个关键诱导基因ZmDMP的基础上，通过基因序列比较分析，发现该基因在大部分双子叶植物中具有较高保守性，因此在功能上可能具有保守性。
为验证ZmDMP同源基因在双子叶植物中的单倍体诱导功能，该研究以模式植物拟南芥为例进行研究。利用基因编辑技术对ZmDMP在拟南芥中的同源基因DMP8和DMP9进行敲除，获得了不同类型的dmp突变体。实验结果表明，dmp突变体自交或与不同生态型材料的杂交后代中，不仅可导致大量未发育和败育种子的产生，还可诱导产生约为2.11%的单倍体。与dmp8或dmp9单突变体相比，dmp8dmp9双突变体具有更强的单倍体诱导能力，表明dmp8与dmp9间存在功能上的冗余。为了确定dmp突变体诱导产生的单倍体母本来源的特性，该研究对78个来源于Ler ms1-1×dmp8dmp9的单倍体进行全基因组测序。结果表明，这些单倍体中不存在可信的父本片段和非整倍体片段，说明dmp突变体可诱导产生纯母本来源的单倍体。此外，为了提高对单倍体种子的鉴别效率，该研究还建立了一个基于FAST-Red荧光标记的单倍体鉴别系统，该系统鉴别准确率可达90%以上。
该研究首次将玉米单倍体的诱导体系拓展至双子叶植物，证明了ZmDMP的同源基因在模式植物拟南芥中也具有单倍体诱导功能，这一发现不仅可为植物生殖生物学的理论研究提供重要参考，而且也为探索在双子叶作物创建以诱导基因为基础的单倍体育种技术开辟了新的实践突破路径。由此将有望引领单双子叶作物单倍体快速育种技术新体系的创建，为作物育种共性核心技术的创新及应用展现了广阔前景。
中国农业大学国家玉米改良中心陈绍江教授和刘晨旭为共同通讯作者，课题组钟裕、陈宝建和李梦然为论文共同第一作者。刘文欣副教授、瓦赫宁根大学高级研究员Kim Boutilier以及叶德教授等对本项研究提供了支持。该研究得到了国家863计划和重点研发计划、现代玉米产业体系、国家自然科学基金和国家留学基金的资助。