解析玉米单倍体诱导分子机制 创新单倍体诱导方法

　　近日，作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室严建兵教授团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所李响研究员团队共同深入解析了玉米单倍体诱导关键基因ZmPLA1导致单倍体发生的分子机制，发现精细胞中的活性氧（ROS）增加是导致玉米单倍体诱导的关键因素，并鉴定了一个全新的诱导单倍体发生的新基因ZmPOD65，发明了一项用化学试剂处理花粉从而诱导单倍体发生的新方法。为单性生殖、单倍体诱导等基础生殖生物学研究提供了新的认识，也为提升作物育种效率提供了新的思路和方法。

 

　　科学家早在1959年就发现了可诱导产生单倍体的玉米突变体Stock6；使用stock6来源的改良家系作父本与杂交种F1杂交，仅1代就可获得纯合的双单倍体后代，从而极大缩短育种周期，目前国内外种子公司和育种单位都在广泛利用该技术，是玉米遗传育种领域关键核心技术。解析“玉米中单倍体是如何被诱导的？”这一困扰植物学家60年的关键科学问题，对于进一步提高育种效率并理解单性生殖这一基础生物学过程有重大意义。

 

　　早在2017年，华中农业大学科研团队与中国农业大学陈绍江团队、金危危团队合作克隆了导致单倍体诱导的主效基因ZmPLA1（10.1016/j.molp.2017.01.011），该基因编码一个精细胞特异表达磷脂酶A蛋白。但一个调控脂质平衡的蛋白突变如何导致了单倍体的诱导，是困扰团队多年的疑问。通过开发单细胞核基因组测序技术，发现诱导系的精细胞中存在高比例的染色体片段化，提出精细胞片段化是zmpla1诱导单倍体产生的细胞学基础的学术观点（10.1038/s41467-017-00969-8）。在那之后，研究团队以“一个磷脂酶A蛋白突变如何导致了精细胞的染色体片段化？”为研究方向。

 

　　在科学研究过程中，团队成员通过对zmpla1和野生型花粉的转录组、蛋白组、蛋白修饰组、单核基因组、代谢组和脂质组等全面分析，揭示了单倍体诱导发生过程是精细胞的ZmPLA1失活，导致周边卵磷脂积累，使线粒体发生紊乱导致活性氧爆发，破坏精细胞染色体的稳定性，导致染色体片段化，从而导致单倍体诱导发生。

 

　　基于对单倍体诱导过程的发现，研究团队推测导致活性氧产生的相关基因，理论上也可以诱导单倍体的发生。过氧化物酶POD是细胞防御活性氧的主要工具，科研人员将三核花粉期特异表达的过氧化物酶基因ZmPOD65进行基因编辑后，后代发现了高至7.7%的单倍体诱导率，证明了该理论推测，同时也发现了一个单倍体诱导新基因。该基因在双单子叶植物间更加保守，为在其它作物上发展单倍体诱导技术提供了基因资源。进一步，研究团队认为，导致活性氧水平变化的化学物质也应该可以导致单倍体的发生，通过多轮测试，最后找到了能直接诱导单倍体发生的特定化学诱导剂，发明了一套利用特定化学物质处理花粉以诱导单倍体发生的技术。目前该技术已经获批专利，并实现了转化。

 

　　科研人员注意到，在人类研究中也发现精细胞活性氧爆发会导致精细胞DNA片段化和降低精子的运动能力，从而导致男性不育；在植物中也可以发生类似现象，但植物精子可以通过花粉管伸长来移动，所以能完成受精，但受精后精细胞来源的DNA会持续降解，最终形成单倍体的胚（图2）。活性氧能同时影响动植物生殖发育过程，进一步深入的研究可以为人类的生殖健康和植物的生长发育研究提供有价值的信息。

 

　　4月4日，该研究以“A reactive oxygen species burst causes haploid induction in maize”为题在Molecular Plant期刊在线发表。严建兵教授与李响研究员为论文共同通讯作者，我校博士生姜程淋为论文第一作者。我校陈伟团队、郭亮团队和广东农科院晏石娟团队、中国科学院分子植物科学卓越创新中心王鹏程团队、德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美国冷泉港实验室David Jackson教授等对本研究提供了支持。本研究得到国家自然科学基金重点项目等支持。

 

　　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.

 

　　论文链接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052（22）00114-9