分子植物:分析玉米单倍体诱导的分子机制并创新单倍体诱导方法

来源：华中农业大学2022-04-11 1:31

发现精细胞内活性氧的增加是导致玉米单倍体诱导的关键因素，并鉴定出一个全新的基因ZmPOD65，发明了用化学试剂处理花粉诱导单倍体产生的新方法。

近日，作物遗传改良国家重点实验室红山实验室闫建兵教授团队和中科院遗传与发展研究所李翔研究员团队深入分析了ZmPLA1诱导单倍体的分子机制，发现精细胞内活性氧(ROS)的增加是导致玉米单倍体诱导的关键因素，并鉴定出一个全新的单倍体诱导基因ZmPOD65，发明了利用试剂花粉诱导单倍体的新方法。为孤雌生殖、单倍体诱导等生殖生物学基础研究提供了新的认识，也为提高作物育种效率提供了新的思路和方法。

早在1959年，科学家就发现了能诱导单倍体的玉米突变体Stock 6。用来自stock6的改良家系作父本与杂种F1杂交，只需一代就可获得纯合的双单倍体后代，从而大大缩短了育种周期。目前，国内外种子公司和育种单位都在广泛应用这项技术，是玉米遗传育种领域的关键核心技术。分析如何在玉米中诱导单倍体。这一困扰植物学家60年的关键科学问题，对于进一步提高育种效率，了解孤雌生殖的基本生物学过程具有重要意义。

早在2017年，华中农业大学研究团队与中国农业大学陈绍江团队、金伟伟团队合作，克隆了导致单倍体诱导的主效基因zm PLA 1(10.1016/j . molp . 2017 . 01 . 011)。该基因编码磷脂酶A蛋白的精细胞特异性表达。但是一个调节脂质平衡的蛋白质突变是如何导致单倍体诱导的，这是一个困扰该团队多年的问题。通过单核基因组测序技术的发展，发现诱导系的精细胞中存在较高比例的染色体片段化，提出精细胞片段化是zmpla1诱导单倍体产生的细胞学基础(10.1038/s41467-017-00969-8)。之后，研究小组询问了磷脂酶A蛋白突变是如何导致精子细胞染色体断裂的。对于研究方向。

在科研过程中，团队成员综合分析了zmpla1和野生型花粉转录组、蛋白质组、蛋白质修饰组、单核基因组、代谢组和脂质组等。并揭示了单倍体诱导的过程是精细胞中ZmPLA1失活，导致外周卵磷脂堆积，线粒体紊乱，活性氧爆炸，精细胞染色体稳定性被破坏，染色体断裂，从而导致单倍体诱导。

基于单倍体诱导过程的发现，研究组推测导致活性氧产生的相关基因在理论上也可以诱导单倍体。过氧化物酶POD是细胞防御活性氧的主要工具。对三核花粉期特异表达的过氧化物酶基因ZmPOD65的基因进行编辑后，后代发现单倍体诱导率高达7.7%，证明了理论推测，发现了新的单倍体诱导基因。该基因在双子叶植物中较为保守，为在其他作物中发展单倍体诱导技术提供了基因资源。进一步，研究小组认为，引起活性氧水平变化的化学物质也应该导致单倍体。经过几轮试验，终于找到了一种可以直接诱导单倍体的特定化学诱导剂，发明了一套用特定化学物质处理花粉诱导单倍体的技术。目前该技术已申请专利并转化。

玉米单倍体诱导机制示意图

研究人员注意到，在人体研究中，还发现精子细胞内活性氧的爆炸可导致精子DNA断裂，精子活力降低，从而导致男性不育；类似的现象在植物中也可以发生，但植物精子可以通过花粉管伸长运动，因此可以完成受精。但受精后，精子细胞的DNA会继续降解，最终形成单倍体胚胎(图2)。活性氧可以同时影响动物和植物的生殖发育。进一步的研究可以为人类生殖健康和植物生长发育的研究提供有价值的信息。

这项研究在线发表在《分子植物杂志》上，标题是“活性氧爆发导致玉米快乐生产”。

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