The Crop Journal | 中国农大陈绍江、刘晨旭团队揭示诱导基因ZmDMP同源基因在物种间存在功能差异

以下文章来源于The Crop Journal ，作者编辑部

选育纯系是作物育种的关键环节，也是耗时最长的环节。使用单倍体育种技术创制纯系只需2个世代，是实现加速育种的关键方法。单倍体育种包括三大关键环节，分别是单倍体诱导、鉴别和加倍，每个环节都对纯系的生产效率至关重要。目前，玉米杂交诱导单倍体技术已经广泛应用，而其关键诱导基因ZmPLA1/MATL/NLD (以下简称ZmPLA1)和ZmDMP的克隆及拓展验证为创建跨作物的单倍体技术体系提供了可能。由于ZmPLA1在单子叶禾谷类作物中比较保守，ZmPLA1基因的克隆为其他作物单倍体的诱导奠定了理论基础。目前，在水稻、小麦、谷子和大麦中敲除ZmPLA1同源基因均成功地创制了单倍体诱导系。ZmDMP的同源基因在拟南芥、番茄、油菜、烟草等多个双子叶植物中被鉴定，使得双子叶植物的单倍体育种取得了重大进展。玉米中，与zmpla1单突变相比，zmpla1zmdmp双突变的单倍体诱导率增加了5~6倍。敲除水稻中的OsDMPs基因是否可独立诱导单倍体或提升单倍体诱导率尚待研究。

近日，中国农业大学国家玉米改良中心陈绍江、刘晨旭团队在The Crop Journal在线发表了题为“Haploids can be induced in knockout mutants of OsPLA1, but not OsDMP3 or OsDMP6, in rice”的研究论文，作者以籼稻明恢63（MH63）和粳稻日本晴（NIP）为研究材料，对ZmPLA1和ZmDMP的同源基因进行敲除，在籼稻和粳稻两个背景下对不同类型突变体的单倍体诱导能力进行了鉴定。

该研究在水稻基因组中鉴定到一个ZmPLA1同源基因（OsPLA1）和两个ZmDMP同源基因（OsDMP3和OsDMP6）。在籼稻MH63背景下敲除OsPLA1后，自交结实率显著降低，并触发自交单倍体诱导；而在敲除OsPLA1的基础上，不论是ospla1osdmp3、ospla1osdmp6，还是ospla1osdmp3osdmp6均没有提高ospla1的自交单倍体诱导率（图1）。在籼稻MH63背景下，通过与测验种QX654A杂交，发现虽然ospla1可以诱导纯母本来源的单倍体，但是ospla1osdmp3、ospla1osdmp6和ospla1osdmp3osdmp6均没有提高ospla1的杂交单倍体诱导率（图2）。在粳稻NIP背景下，不论是ospla1、ospla1osdmp3，还是ospla1osdmp3osdmp6，它们的自交结实率均显著降低，且自交均可产生单倍体，但是三种类型的突变体自交单倍体诱导率差异不大。说明在粳稻NIP背景下，OsDMP3和OsDMP6的突变不能提高ospla1的自交单倍体诱导率（图3）。作者还研究了osdmp3、osdmp6和osdmp3osdmp6突变体的表型，发现不论是自交还是杂交，它们的结实率均与野生型没有差异，且未检测到单倍体（图4）。以上试验结果表明，OsPLA1突变可以在籼稻和粳稻背景下诱导产生单倍体，但是OsDMP3和OsDMP6的突变并不能提高ospla1的单倍体诱导率，其双突变也无法使水稻获得单倍体诱导能力。此外，研究者发现授粉次数会影响水稻单倍体的诱导。随着授粉次数的增加，ospla1的杂交结实率显著提高，但单倍体诱导率降低。RNA-seq结果表明，ospla1突变体中差异表达基因主要参与氧化还原稳态、脂质代谢、植物激素信号传导和MAPK信号通路。该研究揭示了不同物种的DMP基因功能可能存在差异，为研究DMP基因提高单倍体诱导率的分子机制提供了重要证据。

图1 MH63背景下OsPLA1突变体及OsPLA1-OsDMPs突变体自交单倍体诱导效应

图2 MH63背景下ospla1单突变及ospla1-osdmps多突变杂交诱导单倍体效应分析

图3 NIP背景下OsPLA1单突变及OsPLA1-OsDMPs多突变自交单倍体诱导效应分析

图4 MH63背景下osdmp3、osdmp6和osdmp3osdmp6突变体自交和杂交结实率统计

作者和基金项目

中国农业大学农学院国家玉米改良中心刘宗凯博士为该文第一作者，陈绍江教授和刘晨旭副教授为共同通信作者，中国农业大学农学院水稻中心朱作峰教授及团队给与了大力支持和帮助。该研究得到国家重点研发计划（2022YFD1200800）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-02）和北京市科技新星计划（2023067）项目的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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