分子植物:研究揭示活性氧是单倍体诱导的核心因素

中国科学院遗传与发育生物学研究所的李翔团队和华中农业大学的闫建兵团队在《分子植物杂志》上联合发表了一篇题为“活性氧爆发导致玉米快乐生产”的论文。发现精细胞中活性氧的增加是导致玉米单倍体诱导的关键因素。鉴定了一个全新的基因ZmPOD65，发明了一种用ROS试剂处理花粉诱导单倍体的方法。这项研究在孤雌生殖和单倍体诱导等基础生殖生物学领域取得了原创性知识，为进一步提高作物育种效率奠定了坚实的应用科学基础。

1959年，前人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，国内外企业都在利用这项技术进行玉米育种。分析玉米如何自然诱导单倍体这一关键科学问题，对于进一步提高育种效率和理解孤雌生殖的基本生物学过程具有重要意义。

在目前的研究中，研究人员通过分析zmpla1和野生型花粉的转录组、蛋白质组、蛋白质修饰组、单核基因组、代谢组和脂质组，全面揭示了单倍体诱导过程：精子细胞中ZmPLA1的失活导致卵磷脂在外周积累，导致线粒体紊乱导致ROS爆发，破坏精子细胞染色体，分析染色体断裂的分子机制(图1)。过氧化物酶POD是细胞防御活性氧的主要工具。CRISPR敲除三核花粉期特异表达的过氧化物酶基因ZmPOD65后，后代发现诱导率高达7.7%，证明ZmPOD65是一个全新的单倍体诱导基因。该基因在双子叶植物中较为保守，为多种作物育种技术的全面改革提供了新思路。此外，研究人员还选择了几种影响ROS水平的化学物质作为诱导剂，发明了用化学物质处理花粉诱导单倍体的技术。

本研究统一了活性氧影响动植物生殖过程的机制。过去，在人类中也发现精子细胞中的ROS爆炸会导致男性不育，这会使精子DNA片段化并降低精子活力。而植物精子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)。该理论为人类生殖健康提供了有价值的信息，具有前瞻性的基础科学价值。

这项研究得到了华中农业大学、广东省农业科学院、中国科学院分子植物科学卓越中心、德国马克斯普朗克分子植物生理学研究所和美国冷泉港实验室的研究人员的支持。

图1单倍体诱导机制示意图