背靠背！ 中国农大和中国农科院分别创建小麦单倍体花青素标记鉴别系统

选育纯系是作物育种的关键环节，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。

中国农业大学陈绍江、刘晨旭团队前期克隆了玉米单倍体诱导关键基因ZmPLA1，并在此基础上通过同源基因敲除，率先在小麦中建立了单倍体诱导技术体系，单倍体诱导率超过20%。

中国农业科学院作物科学研究所叶兴国团队在前期研究工作中，通过编辑小麦TaMTL基因，创制了小麦单倍体诱导系，以该诱导系作为父本能够诱导母本产生20%左右的单倍体籽粒，显著提高了单倍体的诱导效率，克服了基因型的依赖性。

但上述技术的应用仍需解决小麦单倍体鉴别等问题，开发高效的标记是实现小麦单倍体鉴别的核心。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100568

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100569

2023年3月1日， Plant Communications在线发表了中国农业大学农学院陈绍江/刘晨旭团队题为“Establishment of an efficient haploid identification system by engineering anthocyanin accumulation in wheat embryo”和中国农科院叶兴国团队题为“A fast technique for visual screening of wheat haploids generated from TaMTL-edited mutants carrying anthocyanin markers"的研究论文，分别报道他们利用玉米花青素调控基因ZmC1和ZmR创制小麦紫胚表型的诱导系，实现了小麦单倍体的精准鉴别。

陈绍江/刘晨旭团队前期研究表明，ZmC1和ZmR可以调控植物花青素合成。研究人员对组成型表达ZmC1的材料AL-30和组成型表达ZmR的材料AL-40的幼胚、种子以及胚芽鞘进行了系统的观察,并发现ZmC1可导致紫色胚芽鞘，ZmR可导致紫色种皮。由于种皮属于母本组织，因此不能作为单倍体鉴别的遗传标记。进一步，作者将AL-30和AL-40进行杂交，杂交子代的胚和胚芽鞘均呈现深紫色，表明ZmC1和ZmR可以协同促进花青素的积累（图1A）。然而，组成型表达的ZmC1和ZmR导致小麦叶片花青素过量积累，影响了小麦的生长。研究人员将组成型表达ZmC1的材料AL-30与诱导系进行杂交，通过分子标记与表型辅助选择，育成了紫胚芽鞘诱导系PCI。利用该诱导系杂交的后代，根据胚芽鞘颜色可实现单倍体精准鉴别（图1B-C），单倍体鉴别准确率为96.3%。

为了实现种子直接鉴别，研究团队建立了胚特异表达的色素标记系统，并直接转化到小麦单倍体诱导系中，形成紫胚单倍体诱导系PEI（图2A-B）。PEI叶片中无花青素积累，生长不受影响。利用该诱导系产生的六倍体表现为紫色胚，而单倍体胚表现为正常颜色（图2C）。利用三个母本材料进行单倍体鉴别准确率评估，实验结果表明，无论是幼胚阶段还是成熟种子阶段，单倍体鉴别准确率都接近100%。作者还利用PEI诱导系成功创制了一批小麦DH系，基因型检测结果表明9158个SNP位点均表现为纯合。该研究为新型小麦单倍体育种技术从理论研究到实践应用迈出了一大步，对于加快小麦育种进程具有重要意义。

中国农业大学农学院国家玉米改良中心刘晨旭副教授和陈绍江教授为论文共同通讯作者，博士后祁晓龙、博士生郭树威和博士后钟裕为论文共同第一作者，农学院小麦研究中心倪中福教授在研究中给与了指导和大力支持。该研究得到海南崖州湾种子实验室、中国博士后科学基金和现代玉米产业技术体系的资助。

叶兴国团队利用胚特异表达的双向启动子调控花青素基因ZmC1和ZmR在小麦胚中表达，然后将ZmC1和ZmR基因与TaMTL基因突变位点聚合，创制了具有紫胚特征的单倍体诱导系新材料HIPE（图3）。利用HIPE与郑麦7698等小麦材料杂交，杂交籽粒中表现紫胚的为二倍体，表现非紫胚的为单倍体，经过染色体计数、保卫细胞长度鉴定、DNA含量测定和花粉育性观察等验证，根据胚色直观鉴定单倍体籽粒的准确率几乎为100%，这大大减轻了鉴定单倍体的工作量，提高了鉴定的准确性和效率，可以批量进行单倍体的诱导、鉴定和加倍，将显著促进小麦单倍体育种和基因定位及克隆工作高效开展。

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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