近日，作物遺傳改良國家重點實驗室和洪山實驗室嚴建兵教授團隊和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李響研究員團隊共同深入解析了玉米單倍體誘導(dǎo)關(guān)鍵基因ZmPLA1導(dǎo)致單倍體發(fā)生的分子機制，發(fā)現(xiàn)精細胞中的活性氧（ROS）增加是導(dǎo)致玉米單倍體誘導(dǎo)的關(guān)鍵因素，并鑒定了一個全新的誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的新基因ZmPOD65，發(fā)明了一項用化學(xué)試劑處理花粉從而誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的新方法。為單性生殖、單倍體誘導(dǎo)等基礎(chǔ)生殖生物學(xué)研究提供了新的認識，也為提升作物育種效率提供了新的思路和方法。

 

　　科學(xué)家早在1959年就發(fā)現(xiàn)了可誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體的玉米突變體Stock6；使用stock6來源的改良家系作父本與雜交種F1雜交，僅1代就可獲得純合的雙單倍體后代，從而極大縮短育種周期，目前國內(nèi)外種子公司和育種單位都在廣泛利用該技術(shù)，是玉米遺傳育種領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。解析“玉米中單倍體是如何被誘導(dǎo)的？”這一困擾植物學(xué)家60年的關(guān)鍵科學(xué)問題，對于進一步提高育種效率并理解單性生殖這一基礎(chǔ)生物學(xué)過程有重大意義。

 

　　早在2017年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團隊與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江團隊、金危危團隊合作克隆了導(dǎo)致單倍體誘導(dǎo)的主效基因ZmPLA1（10.1016/j.molp.2017.01.011），該基因編碼一個精細胞特異表達磷脂酶A蛋白。但一個調(diào)控脂質(zhì)平衡的蛋白突變?nèi)绾螌?dǎo)致了單倍體的誘導(dǎo)，是困擾團隊多年的疑問。通過開發(fā)單細胞核基因組測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)系的精細胞中存在高比例的染色體片段化，提出精細胞片段化是zmpla1誘導(dǎo)單倍體產(chǎn)生的細胞學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)觀點（10.1038/s41467-017-00969-8）。在那之后，研究團隊以“一個磷脂酶A蛋白突變?nèi)绾螌?dǎo)致了精細胞的染色體片段化？”為研究方向。

 

　　在科學(xué)研究過程中，團隊成員通過對zmpla1和野生型花粉的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、蛋白修飾組、單核基因組、代謝組和脂質(zhì)組等全面分析，揭示了單倍體誘導(dǎo)發(fā)生過程是精細胞的ZmPLA1失活，導(dǎo)致周邊卵磷脂積累，使線粒體發(fā)生紊亂導(dǎo)致活性氧爆發(fā)，破壞精細胞染色體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致染色體片段化，從而導(dǎo)致單倍體誘導(dǎo)發(fā)生。

 

　　基于對單倍體誘導(dǎo)過程的發(fā)現(xiàn)，研究團隊推測導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生的相關(guān)基因，理論上也可以誘導(dǎo)單倍體的發(fā)生。過氧化物酶POD是細胞防御活性氧的主要工具，科研人員將三核花粉期特異表達的過氧化物酶基因ZmPOD65進行基因編輯后，后代發(fā)現(xiàn)了高至7.7%的單倍體誘導(dǎo)率，證明了該理論推測，同時也發(fā)現(xiàn)了一個單倍體誘導(dǎo)新基因。該基因在雙單子葉植物間更加保守，為在其它作物上發(fā)展單倍體誘導(dǎo)技術(shù)提供了基因資源。進一步，研究團隊認為，導(dǎo)致活性氧水平變化的化學(xué)物質(zhì)也應(yīng)該可以導(dǎo)致單倍體的發(fā)生，通過多輪測試，最后找到了能直接誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的特定化學(xué)誘導(dǎo)劑，發(fā)明了一套利用特定化學(xué)物質(zhì)處理花粉以誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的技術(shù)。目前該技術(shù)已經(jīng)獲批專利，并實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化。

 

　　科研人員注意到，在人類研究中也發(fā)現(xiàn)精細胞活性氧爆發(fā)會導(dǎo)致精細胞DNA片段化和降低精子的運動能力，從而導(dǎo)致男性不育；在植物中也可以發(fā)生類似現(xiàn)象，但植物精子可以通過花粉管伸長來移動，所以能完成受精，但受精后精細胞來源的DNA會持續(xù)降解，最終形成單倍體的胚（圖2）。活性氧能同時影響動植物生殖發(fā)育過程，進一步深入的研究可以為人類的生殖健康和植物的生長發(fā)育研究提供有價值的信息。

 

　　4月4日，該研究以“A reactive oxygen species burst causes haploid induction in maize”為題在Molecular Plant期刊在線發(fā)表。嚴建兵教授與李響研究員為論文共同通訊作者，我校博士生姜程淋為論文第一作者。我校陳偉團隊、郭亮團隊和廣東農(nóng)科院晏石娟團隊、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王鵬程團隊、德國馬克斯·普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美國冷泉港實驗室David Jackson教授等對本研究提供了支持。本研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目等支持。

 

　　Abstract

 

　　Haploid induction is an important tool in crop breeding. Phospholipase A1 （ZmPLA1） / NOT LIKE DAD （NLD）/ MATRILINEAL （MTL） is a key gene controlling haploid induction in maize; however, its molecular mechanism is unknown. To understand the regulatory network of zmpla1, we applied a comprehensive functional analysis at multiple omic levels, integrating transcriptomes, metabolomes, quantitative proteomes and protein modifications. Functional classes of significantly enriched or differentially abundant molecular entities were associated with the oxidative stress response, suggesting that a reactive oxygen species （ROS） burst plays a critical role in haploid induction. In support of this, we show that a simple chemical treatment of pollen with ROS reagents leads to haploid induction （HI）。 Moreover, a sperm-specific peroxidase （ZmPOD65） was identified as a new gene controlling HI. The mechanism of HI revealed in this study suggests the importance of ROS balance in maintaining normal reproduction, and provides a potential route to accelerate crop breeding.

 

　　論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052（22）00114-9