吉萬全教授團隊在小麥單倍體育種領域取得新進展

　　 　　

近日，吉萬全教授團隊在Plant Physiology在線發(fā)表了題為"Mutation of TaPOD8 triggers haploid induction through a reactive oxygen species burst in wheat"的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)小麥過氧化物酶基因TaPOD8突變后會導致配子活性氧爆發(fā)從而誘導單倍體產(chǎn)生，揭示了活性氧（ROS）提前爆發(fā)導致的DNA損傷在小麥單倍體形成中的關鍵作用。

小麥是全球最重要的糧食作物之一，優(yōu)良新品種的培育對保障糧食安全至關重要。雙單倍體育種技術能將純合穩(wěn)定世代的獲得從傳統(tǒng)6-8代縮短至1-2代，是加速作物育種進程的革命性技術。目前，小麥中僅鑒定出TaMTL和TaCENH3兩個單倍體誘導基因，且誘導率仍有待提高，因此發(fā)掘新型高效誘導基因具有重要意義。

該研究以六倍體普通小麥為材料，針對前期篩選到的一個在小麥3.5 mm花藥及對應子房中特異性表達的一個過氧化物酶基因TaPOD8，發(fā)現(xiàn)與玉米單倍體誘導基因ZmPOD65同源，因此利用CRISPR-Cas9對其三個亞基因組上的拷貝進行靶向敲除（圖1 A，B），基因編輯獲得的六個等位功能完全缺失突變體tapod8-aabbdd表現(xiàn)出花藥雄性不育（圖1 C，D）。當用野生型花粉為突變體授粉時，F₁代中出現(xiàn)了父本單倍體，單倍體誘導率為11.8%，表明TaPOD8敲除可誘導父本單倍體產(chǎn)生（圖1 E-H）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，五等位基因雜合突變體自交或回交時單倍體誘導率為0.9%～5.1%，還表現(xiàn)出嚴重的分離畸變，并且無法獲得功能完全缺失突變體，暗示該基因可能存在隱性配子結合致死效應。

圖1 TaPOD8功能缺失突變體可以誘導父本單倍體的產(chǎn)生

 

圖2 TaPOD8突變體誘導單倍體產(chǎn)生的機制

該研究對單倍體形成機制進行了一系列探究，揭示了活性氧（ROS）的異常爆發(fā)在TaPOD8誘導單倍體產(chǎn)生中的重要作用。TaPOD8的功能部分缺失導致花藥和胚珠出現(xiàn)了活性氧（ROS）的提前爆發(fā)，導致基因組DNA嚴重損傷，染色體片段化形成單倍體（圖2 A-D）。該基因為解析作物單倍體形成的分子基礎提供了新見解，也為小麥高效單倍體育種提供了具有應用潛力的新靶點。

農學院小麥遠緣雜交與染色體工程育種團隊吉萬全教授和李停棟教授為論文共同通訊作者，博士研究生王陸蕙為論文第一作者。研究得到了國家農業(yè)重大科技項目（NK2022060503和NK2022060501），陜西省秦創(chuàng)原高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才項目（QCYRCXM-2022-140）經(jīng)費的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag053

 

 

編輯：郭超

終審：吳清華