Plant Com | 中国农业大学陈绍江/刘晨旭团队提出双性花作物单倍体高通量诱导策略

来源 | 国家玉米改良中心

选育纯系是作物育种的关键环节，单倍体育种技术只需1-2个世代即可实现纯系创制，因此可显著加快纯系选育进程。玉米是应用单倍体育种技术最为成熟的作物之一。通过遗传研究，中国农业大学国家玉米改良中心相继克隆了ZmPLA1、ZmPLD3和ZmDMP 3个单倍体诱导关键基因。近些年，通过同源基因敲除，先后在水稻、小麦、谷子、油菜、烟草、番茄、拟南芥、苜蓿和马铃薯等作物中建立了单倍体诱导系统，为建立作物通用型单倍体育种共性关键技术奠定了重要基础。然而，小麦、水稻、番茄等作物的花结构均为典型的双性花，复杂的去雄和杂交成为这些作物进行规模化单倍体育种的巨大障碍。

2022年9月28日，中国农业大学农学院、国家玉米改良中心陈绍江和刘晨旭团队在Plant Communications在线发表了题为“High-throughput haploid induction in bisexual-flower species”的论文，该研究针对双性化作物难以进行规模化杂交诱导的问题，提出了利用显性雄性不育系统进行高通量单倍体诱导的策略，并利用显性不育基因Ms2、ZmMs7和Barnase在小麦和拟南芥中进行了策略验证，为进一步在双性花中实现单倍体规模化诱导奠定重要基础。

在育种过程中，通过引入显性不育基因，携带不育基因的植株可以用于规模化诱导的母本，免去了复杂的去雄环节，同时可获得大量单倍体 （图1A） 。这些不育化材料还可以与其他优良种质材料进行杂交，从而不断提升育种基础群体质量。利用上述策略，既能解决单倍体诱导和回交育种中杂交困难的问题，也能在不断提升种质基础的同时，源源不断的制造纯系。

图1 基于显性不育进行规模化诱导的原理及在小麦种的验证

为验证上述策略的可行性，研究人员利用矮败 （太谷核不育） 材料在小麦中进行了测试 （图1B-F） ，在后代中鉴定到13株高秆单倍体和9株矮秆单倍体，由于矮秆基因Rht-D1c与不育基因Ms2紧密连锁，所有矮秆单倍体都携带显性不育基因Ms2，高秆单倍体不携带不育基因，因此可以加倍高秆单倍体形成可育DH系。

图2 拟南芥中显性不育材料创制及规模化杂交诱导

研究人员进一步以模式植物拟南芥为对象，验证了该策略在双性花植物中的可行性 （图2） 。利用显性不育基因ZmMs7和Barnase构建了两个雄性不育表达载体，同时导入了种子特异表达的GFP标签，可用于分离不携带显性不育基因的单倍体种子 （图2A） 。转基因植株表现为雌性可育雄性不育 （图2B-D） 。在诱导后代中共筛选出14个单倍体种子，其中7个无GFP信号表达，表明其不携带显性不育基因，因此可用于加倍形成纯系 （图2E-H） 。为了进一步利用携带显性不育基因的单倍体，研究人员测试了地塞米松 （Dexamethasone） 诱导表达系统pOp6/LhGR和基因切除系统Cre/loxP（图2A）在切除不育基因片段中的效果 （图2I-K） 。该研究为双性花的高通量单倍体诱导提供了一种可实现的技术途径，具有重要的应用前景。

中国农业大学农学院、国家玉米改良中心刘晨旭副教授、陈绍江教授和博士后钟裕为论文共同通讯作者，博士后祁晓龙、博士生刘晋初和刘宗凯为论文共同第一作者，农学院倪中福教授在研究和论文撰写过程中给与了大力的支持和帮助，李保云教授在策略提出与实验设计上提供了宝贵意见。中国农科院周阳研究员、安徽农业大学马传喜教授为该研究提供了宝贵的实验材料。该研究得到海南崖州湾种子实验室、国家自然科学基金、现代玉米产业技术体系和中国博士后科学基金的资助。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100454