遗传发育所玉米单向杂交不亲和研究取得进展

　　玉米是我国播种面积最大、产量最高的作物之一。玉米用途广泛，除作为饲料外，还有各种工业用途，并为人类提供优质的蛋白和淀粉。玉米雌雄同株异花，天然异交率高达95%以上，因此杂交种制种和专用玉米的生产需要严格隔离。常规的时间和空间隔离措施费时费力、难度大。如何利用科学的方式实现玉米无隔离生产，是亟需解决的生产难题。一般情况下，玉米自交和杂交都能够结实，但自然界存在少数玉米不接受其他玉米花粉的现象，称为玉米的单向杂交不亲和（Unilateral cross-incompatibility， UCI）。有研究在玉米中报道了Ga1、Ga2和Tcb1三个UCI位点，分别由花粉和花丝决定因子构成。自然界中的玉米根据UCI位点的结构与功能分为三种类型：S型（Ga1-S、Ga2-S和Tcb1-S），同时含有花粉和花丝决定因子基因；M型（Ga1-M、Ga2-M和Tcb1-M），只含有花粉决定因子基因；普通类型（ga1、ga2和tcb1），既不包含花粉又没有花丝决定因子基因。UCI控制单倍体配子的有性传递方向，可用于不同类型玉米间的生殖隔离。

 

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组致力于玉米单向杂交不亲和研究，先后报道了Ga1和Ga2位点的花粉和花丝因子基因及其应用（Zhang et al., 2012；Zhang et al., 2018，Chen et al., 2022；Cai et al., 2022）。近期，该团队在玉米不亲和研究方面再次取得重要进展。该研究克隆了Tcb1位点的花粉决定因子Tcb-m。这是玉米不亲和系统“最后一个”被克隆的决定因子基因。至此，三个不亲和位点的所有关键决定因子均被克隆验证，为玉米不亲和系统之间共性和特异性的研究奠定了基础。11月16日，相关研究成果以A pollen expressed PME gene at Tcb1 locus confers maize unilateral cross-incompatibility为题，在线发表在Plant Biotechnology Journal上。

 

　　研究发现，玉米Tcb1位点的花粉因子Tcb1-m编码果胶甲酯酶（Pectin Methylesterases，PME），在Tcb1-S型材料的花粉中特异表达。研究显示，通过转基因的方式在普通玉米中表达Tcb1-m基因，可使其为Tcb1-S型材料授粉结实。Tcb1位点和Ga1位点紧密连锁，它们的花粉之间和花丝因子之间高度相似，两个位点是串联重复关系。然而，Tcb1位点只存在于玉米原始祖先大刍草中，而Ga1位点同时存在于大刍草和玉米中，表明两个位点在玉米驯化以后发生分化，并产生了特异性。自然界中的普通玉米也存在一定数量的含有Ga1或Ga2位点的材料，会降低玉米UCI位点的应用价值。该研究将含有三个位点的材料进行不同形式的位点组合，创制了同时含有两个或三个不亲和位点的聚合材料，不仅能够更加有效的阻碍普通玉米的花粉，并且能够有效防止含有单一不亲和位点的材料穿透的风险，进一步提高了玉米不亲和在无隔离制种和生产中的应用。该研究为不亲和系统的机理解析奠定了材料基础。

 

　　研究工作得到国家自然科学基金的支持。