Nature Genetics | 新的孤雌生殖基因被发现！助力植物无融合生殖再上新台阶

撰文 | 王克剑、熊杰（中国水稻研究所）

责编 | 奕梵

2022年1月6日，来自荷兰的 KeyGene育种公司，瓦赫宁根大学及研究中心 (WUR)，日本Takii育种公司，新西兰植物与食品研究中心以及林肯大学的研究人员在Nature Genetics在线发表了题为A PARTHENOGENESIS allele from apomictic dandelion can induce egg cell division without fertilization in lettuce的研究论文，报道了一个无融合生殖蒲公英的孤雌生殖等位基因可以使得莴苣卵细胞在不受精的条件下发生细胞分裂。该研究利用自然发生无融合生殖的蒲公英为研究材料，发现了能够诱导孤雌生殖的基因PARTHENOGENESIS(PAR) ，通过将该基因导入莴苣，成功获得可以发生孤雌生殖的莴苣材料。该研究为植物无融合生殖提供了新的基因资源，也为其它作物的无融合生殖材料构建提供了新的思路。

无融合生殖是不经过精卵结合而产生克隆种子的一种生殖方式，获得的后代与母本植株完全一致，是母体植株的克隆，可随世代更迭而不改变基因型，性状也不发生分离。无融合生殖是一种不常发生、但在植物界普遍存在的生殖现象。在植物界存在的有性生殖、无性生殖和无融合生殖三大系统中，无融合生殖是最缺乏研究而又有特殊价值的一种。

无融合生殖基因的挖掘一直比较困难，主要是因为广为研究的模式植物中并不存在天然的无融合生殖体系，而且无融合生殖材料中染色体之间不存在重组交换，另外现有的无融合生殖植物大多是多倍体。这些条件导致无融合生殖基因的挖掘举步维艰。

其中，蒲公英则是非常理想的无融合生殖研究材料。蒲公英的二倍体材料可以接收四倍体的花粉，形成三倍体材料。在无融合生殖三倍体材料中，雌株的减数分裂会变成有丝分裂，并且卵细胞在不受精的条件下可以进行自主发育。

蒲公英

PAR基因的挖掘

作者以三倍体无融合生殖材料A68为研究对象，通过伽马射线照射了2650个单株，以寻找丢失无融合生殖 （LOSS OF PARTHENOGENESIS，LOP） 表型的种子。A68种子的头部是黑色的，LOP种子的头部则不显现为黑色。通过鉴定13500个种子，找到了23个LOP株系。最终通过AFLP标记锁定了一个300kb左右的区间。利用BAC文库和nanopore测序成功构建了PAR区段的完整图谱，总共发现有3个单倍型，其中一个单倍型与其他两个 （sex1和sex2） 差异较大，是显性无融合生殖 （Apo） 单倍型 （图1） 。通过标记辅助选择再次将区间缩小至LD2, LD3, LD3, LD4所在的区间，该区间内有13个候选基因 （图1） 。作者利用CRISPR–Cas9技术对13个候选基因都进行了基因敲除，发现只有一个基因A_g295的突变体与之前LOP的表型一致，并且A_g295基因的突变体不能进行孤雌生殖，只有授粉才能结实，因此认定A_g295基因就是孤雌生殖基因 （PAR） 。后续转录组数据也证明蒲公英的PAR （TopAR） 基因只特异在成熟的卵细胞中表达。

图1. PAR基因座的结构特征及LD分析

PAR 编码一个170个氨基酸的蛋白质，含有一个罕见的拟南芥K2-2类的C 2 H 2 锌指结构域，预测具有核酸结合活性。与有性生殖蒲公英PAR蛋白相比，无融合生殖蒲公英的PAR蛋白有5个氨基酸的差异。同时，无融合生殖蒲公英的PAR基因在上游启动子区有一个1,335bp的片段插入，该片段与已知的所有片段都不同源，被认为是一个全新的微小反向重复转座因子 （MITE） ，该MITE在所有无融合生殖材料蒲公英中都存在，而在有性生殖蒲公英中都没有，推测在诱导无融合生殖过程中发挥重要功能。

在山柳菊（Pilosella piloselloides）中也发现了PAR基因

作者通过缺失作图，BCA步移和多倍体定位的方法，将山柳菊可能控制孤雌生殖的LOP区间缩短至650kb的范围 （图2） 。通过分析发现该区间与蒲公英的LOP区间共线性，并且该区间内有一个与蒲公英ToPAR基因同源的片段。分析发现山柳菊PpPAR基因的上游也有一个MITE，只是大小和插入位置与蒲公英不一致，但是与蒲公英的MITE都属于同一个家族 （图2） 。转录组数据也证明了山柳菊PpPAR的表达模式与蒲公英的PAR相似。进一步证实了PAR基因能够诱导无融合生殖的普适性。

图2. 蒲公英和山柳菊PAR区域共线性分析以及PAR和sex等位基因结构

PAR基因可以诱导孤雌生殖

为了证明蒲公英ToPAR基因的启动子区是否能够诱导孤雌生殖，作者利用ToPAR基因启动子驱动ToPAR同源基因Lssex在四倍体蒲公英突变体中表达 （图3） ，结果显示可以成功诱导孤雌生殖。同时，作者利用拟南芥中卵细胞特异表达的基因EC1的启动子驱动PAR基因在四倍体蒲公英突变体中表达 （图3） ，结果显示也可以成功诱导孤雌生殖，证实了ToPAR确实具有诱导孤雌生殖的能力。

为了证实ToPAR是否能够诱导其他植物的孤雌生殖，作者又将pEC1::PAR导入莴苣中 （图3） 。在得到的7个T 0 株系中，如果进行去雄处理，有15%的材料出现了胚状结构，但是这些胚状结构在发育后期夭折，不能产生有活力的种子。然而将这7个株系T 0 的花粉授予野生莴苣，获得的F 1 后代去雄后能够成功诱导孤雌生殖。通过流式细胞检测，发现这些胚状结构的细胞倍性都是单倍体，进一步证实了孤雌生殖的成功诱导。

图3. 蒲公英四倍体蒲公英突变体与野生莴苣的互补和转化实验

该研究为植物无融合生殖提供了新的基因资源，也为后续孤雌生殖基因的研究提供了良好的研究方法。该论文的通讯作者是瓦赫宁根大学的M. Eric Schranz教授和科因公司Peter J. van Dijk博士。第一作者是科因公司的Charles J. Underwood博士和Diana Rigola博士以及瓦赫宁根大学的Kitty Vijverberg教授。

该文的第一作者Charles J. Underwood已于2019年在德国马克斯普朗克植物育种研究所染色体生物学系成立了自己独立的研究团队。如果有对其研究内容感兴趣，想攻读博士学位或从事博士后工作的科研工作者，可以向其提出正式地申请。招聘信息链接如下：

https://www.arabidopsis.org/download_files/_Job_Postings/20211203_Underwood.pdf

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41588-021-00984-y