玉米是我國播種面積最大、產(chǎn)量最高的作物之一。玉米用途廣泛，除作為飼料外，還有各種工業(yè)用途，并為人類提供優(yōu)質(zhì)的蛋白和淀粉。玉米雌雄同株異花，天然異交率高達(dá)95%以上，因此雜交種制種和專用玉米的生產(chǎn)需要嚴(yán)格隔離。常規(guī)的時(shí)間和空間隔離措施費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難度大。如何利用科學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)玉米無隔離生產(chǎn)，是亟需解決的生產(chǎn)難題。一般情況下，玉米自交和雜交都能夠結(jié)實(shí)，但自然界存在少數(shù)玉米不接受其他玉米花粉的現(xiàn)象，稱為玉米的單向雜交不親和（Unilateral cross-incompatibility， UCI）。有研究在玉米中報(bào)道了Ga1、Ga2和Tcb1三個(gè)UCI位點(diǎn)，分別由花粉和花絲決定因子構(gòu)成。自然界中的玉米根據(jù)UCI位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與功能分為三種類型：S型（Ga1-S、Ga2-S和Tcb1-S），同時(shí)含有花粉和花絲決定因子基因；M型（Ga1-M、Ga2-M和Tcb1-M），只含有花粉決定因子基因；普通類型（ga1、ga2和tcb1），既不包含花粉又沒有花絲決定因子基因。UCI控制單倍體配子的有性傳遞方向，可用于不同類型玉米間的生殖隔離。

 

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陳化榜研究組致力于玉米單向雜交不親和研究，先后報(bào)道了Ga1和Ga2位點(diǎn)的花粉和花絲因子基因及其應(yīng)用（Zhang et al., 2012；Zhang et al., 2018，Chen et al., 2022；Cai et al., 2022）。近期，該團(tuán)隊(duì)在玉米不親和研究方面再次取得重要進(jìn)展。該研究克隆了Tcb1位點(diǎn)的花粉決定因子Tcb-m。這是玉米不親和系統(tǒng)“最后一個(gè)”被克隆的決定因子基因。至此，三個(gè)不親和位點(diǎn)的所有關(guān)鍵決定因子均被克隆驗(yàn)證，為玉米不親和系統(tǒng)之間共性和特異性的研究奠定了基礎(chǔ)。11月16日，相關(guān)研究成果以A pollen expressed PME gene at Tcb1 locus confers maize unilateral cross-incompatibility為題，在線發(fā)表在Plant Biotechnology Journal上。

 

　　研究發(fā)現(xiàn)，玉米Tcb1位點(diǎn)的花粉因子Tcb1-m編碼果膠甲酯酶（Pectin Methylesterases，PME），在Tcb1-S型材料的花粉中特異表達(dá)。研究顯示，通過轉(zhuǎn)基因的方式在普通玉米中表達(dá)Tcb1-m基因，可使其為Tcb1-S型材料授粉結(jié)實(shí)。Tcb1位點(diǎn)和Ga1位點(diǎn)緊密連鎖，它們的花粉之間和花絲因子之間高度相似，兩個(gè)位點(diǎn)是串聯(lián)重復(fù)關(guān)系。然而，Tcb1位點(diǎn)只存在于玉米原始祖先大芻草中，而Ga1位點(diǎn)同時(shí)存在于大芻草和玉米中，表明兩個(gè)位點(diǎn)在玉米馴化以后發(fā)生分化，并產(chǎn)生了特異性。自然界中的普通玉米也存在一定數(shù)量的含有Ga1或Ga2位點(diǎn)的材料，會降低玉米UCI位點(diǎn)的應(yīng)用價(jià)值。該研究將含有三個(gè)位點(diǎn)的材料進(jìn)行不同形式的位點(diǎn)組合，創(chuàng)制了同時(shí)含有兩個(gè)或三個(gè)不親和位點(diǎn)的聚合材料，不僅能夠更加有效的阻礙普通玉米的花粉，并且能夠有效防止含有單一不親和位點(diǎn)的材料穿透的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高了玉米不親和在無隔離制種和生產(chǎn)中的應(yīng)用。該研究為不親和系統(tǒng)的機(jī)理解析奠定了材料基礎(chǔ)。

 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。