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人才强校 | 陈绍江教授课题组成功克隆新的玉米单倍体关键诱导基因ZmDMP

作者:农学院    日期:2019-06-11

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   我校陈绍江教授研究团队在玉米单倍体育种技术研究中再次取得突破:团队历经10余年不懈努力,在国际上率先克隆了首个非Stock6来源的玉米单倍体诱导关键基因ZmDMP,这是该团队继克隆关键诱导基因ZmPLA1后取得的又一重大进展,这一关键基因的克隆为理解单倍体高频诱导的成因奠定了坚实的理论基础。研究成果以“Mutation of ZmDMP enhances haploidinduction in maize”为题,于2019年6月10日在植物学领域顶级期刊《Nature Plants》上发表。

   玉米是典型的利用杂种优势农作物之一,由纯合自交系组配的优良杂交种是玉米持续增产的基础,因此,纯系选育是玉米育种的核心技术。传统方式选育纯系需要8个世代以上的连续自交才能达到遗传上的基本纯合,而该课题研究的单倍体育种技术能够在2个世代获得纯系,是目前纯系创制速度最快方法之一。大大加快了育种进程。目前该技术已广泛应用并成为现代玉米育种的关键核心技术之一,实现了传统选系技术和育种模式的变革。

   在单倍体育种技术中,杂交诱导是首个关键技术环节,优良的诱导性能是决定其在育种实践上能否应用的关键,因此,解析单倍体诱导特别是高频诱导的遗传基础是探索诱导之谜和提升单倍体育种效率的关键,也是植物学界关注的重要科学问题。该课题组经过长期研究,已经证明磷脂酶基因ZmPLA1序列上的4个碱基插入所导致的基因功能缺失是单倍体诱导能力产生的关键(Liu et al.,2017)。然而,ZmPLA1基因并不能完全解释高频诱导现象。因此,对qhir8的定位克隆对于阐明单倍体高频诱导的遗传基础具有重要意义。

   单倍体诱导基因克隆的难点在于需要大量的杂交诱导籽粒的鉴别筛选。在qhir8精细定位和克隆过程中,该课题组利用其选育的两个诱导系CAUHOI和CAU5组配的群体进行图位克隆。先后从2万多个F2单株中筛选出37个交换单株,以基因分型子代测验的方法,将qhir8的候选基因区间缩小至318 bp,锁定了编码DUF679结构域膜蛋白(DUF679 domain membrane protein)的基因ZmDMP及其功能位点。该基因编码205个氨基酸,研究团队利用基因编辑等方法验证了该基因就是单倍体诱导的关键贡献基因。研究结果表明,在ZmPLA1突变的基础上,ZmDMP起始密码子下游的第131bp上T到C的单碱基替换导致氨基酸的错义突变,进而将单倍体诱导率提高2~3倍。将ZmDMP完全敲除则可进一步将单倍体诱导率提高5~6倍,呈现出显著的倍增效应。非常值得关注的是,该研究还发现了ZmDMP基因敲除后具有独立的诱导单倍体能力,这是首次在非stock6材料上发现独立诱导现象。该发现将有望为下一步的高频单倍体诱导系选育提供新的研究方向。通过ZmDMP的表达模式和亚细胞定位分析发现,该基因与ZmPLA1具有一定的相似性,均在成熟的花粉中表达和定位在细胞膜上。表明ZmDMP与ZmPLA1有可能在单倍体诱导的过程中参与相同的通路。

   该研究克隆的非Stock6来源的玉米单倍体诱导关键基因ZmDMP不仅可为遗传学与生殖生物学研究提供新的借鉴,而且在实践上也将为基于分子标记辅助选育及基因编辑技术创建高频的单倍体诱导系奠定坚实的基础。

   值得一提的是,陈绍江教授课题组二十多年来一直致力于玉米单倍体育种技术体系研发及单倍体诱导的遗传、生物学机制研究。在技术研究方面,先后突破了高效诱导、精准鉴别和高效加倍三大关键技术,创建了高效的单倍体育种技术体系,并实现了广泛的应用。相关研究成果先后获得了2016年度教育部技术发明一等奖,2017年大北农科技奖植物育种奖。

   课题组钟裕、刘晨旭、祁晓龙和焦炎炎为论文共同第一作者,陈绍江教授为通讯作者,国家玉米改良中心赖锦盛教授,金危危教授和刘文欣副教授等对本项研究提供了支持。研究得到了国家863计划和重点研发计划及现代玉米产业体系项目的资助。

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