近日，山东农业大学作物生物学国家重点实验室/农学院教授曾范昌教授课题组Cell Press旗下期刊iScience在线发表了题为Haploid bio-induction in plant through mock sexual reproduction的研究论文。该研究首次揭示了植物有性生殖过程中假受精介导的虚拟有性生殖，诱发了无融合孤雌生殖过程发生，进而导致种子单倍体形成。该研究成果为解析棉花等作物无融合生殖单倍体诱导形成过程与细胞生物学基础提供创新理论依据，对作物现代细胞工程与拓展无性育种具有重要指导意义和应用价值。
植物的雌雄配子未发生核融合过程而形成种子以繁衍后代的方式，称之为无融合生殖。其中，单倍配子体无融合生殖 (haploid gametophyte apomixis) ，是指雌雄配子体不经过正常受精融合而产生单倍体胚的一种生殖方式，又称为单性生殖 (parthenogenesis) , 分孤雌生殖和孤雄生殖两类。单倍体能在植株上充分地显现重组的配子类型，排除显隐性干扰，提高选择的准确性，并可迅速纯合成育种新材料，丰富遗传资源，缩短育种周期，加快育种进程，显著提高育种效率，当今受到高度关注。
单倍体产生主要包括自然发生和人工诱导手段 （花粉/花药培养、理化处理花粉杂交、远缘杂交、基因操作染色体消减等） 。无融合生殖种子单倍体是一种普适常用的体内发生途径，是作物遗传育种和种质资源创新主要方法，具有重要应用潜力和前景。但在作物系列单倍体诱导应用过程中，单倍体诱导频率太低 。诱导技术仍是经验式的，存在相当大的随机性和盲目性，这在很大程度上限制了无融合种子单倍体在育种上的应用。克服上述系列问题，依赖于我们对无融合生殖形成过程及种子单倍体诱导调控过程与机理的深入理解。
棉花 (Gossypium hirsutum L.) 是世界上最重要的天然纤维作物，优异的抗逆先锋作物和最重要的油料作物之一。棉花同时具有典型大型花器，也是研究作物生育繁殖的代表性作物。曾范昌教授课题组以棉花这一模式材料，剖析了植物无融合生殖形成过程及种子单倍体诱导调控的细胞生物学基础，在该领域首次鉴定揭示了植物有性生殖过程中假受精介导的虚拟有性生殖，诱发了无融合孤雌生殖过程发生，进而导致种子单倍体形成。
该研究针对消减染色体的经典着丝粒组蛋白基因CenH3，在筛选系列相关化学抑制剂及体外诱导效应的基础上，结合基因干涉操作技术，从体内和体外鉴定了植物两性花有性生殖过程中伴随的诱发假雄配子的剂量效应，并提出并验证了假受精介导的虚拟有性生殖，诱发孤雌单性生殖和种子单倍体形成这一科学假设和全新理论。
该一研究成果是植物无融合生殖育种领域的理论创新和重要突破。该研究成果将为调控作物无融合生殖、高效诱导种子单倍体提供最新理论依据与生物技术，对揭示植物无融合生殖机理、促进棉花等作物无性生殖技术创新、现代无性育种的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
郭慧慧博士、高新朋硕士与武剑飞博士生为本研究论文的并列第一作者。 曾范昌教授为研究论文的通讯作者。 郭慧慧 博士近两年截止目前，以一作共发表10篇国际高水平SCI论文，包括4篇SCI生物学一区Top期刊，一作论文累计影响因子已超过50，平均单篇超过5。同时荣获山东省优秀博士论文、国家博士后科学基金面上项目择优资助。本研究得到了国家重点研究开发计划、国家教育部霍英东基金、山东省泰山学者人才工程等项目的资助。
https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101279
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