華中農(nóng)業(yè)大學(xué)揭示玉米單向雜交不親和的奧秘

　　玉米是我國(guó)種植面積最廣的農(nóng)作物之一，也是天然的異花授粉作物，異交率非常高。然而，在玉米中仍然存在著一種特殊單向雜交不親和現(xiàn)象 （Unilateral cross incompatibility, UCI），其中，以位于玉米4號(hào)染色體短臂上的Ga1位點(diǎn)所控制的雜交不親和效應(yīng)最大，大家最為關(guān)注。

 

　　8月3日，Nature Communications在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和洪山實(shí)驗(yàn)室玉米團(tuán)隊(duì)題為“Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize”的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)在Ga1位點(diǎn)包含三類，共7個(gè)決定玉米單向雜交不親和表型的基因，提出了一個(gè)新的解釋UCI成因的三基因遺傳模型，該結(jié)果不但對(duì)理解物種的生殖隔離這一重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題有理論意義，也為作物的遺傳改良尤其是雜交制種有應(yīng)用價(jià)值。

 

　　由Ga1位點(diǎn)控制的UCI現(xiàn)象發(fā)生在馬齒類玉米 （ga1） 以及爆裂玉米 （Ga1-S）之間，表現(xiàn)為馬齒類玉米不能作為父本向爆裂玉米的雌穗授粉，反交或二者的自交都可以正常授粉結(jié)實(shí)。除此之外，自然界中還存在一種廣親和型玉米（Ga1-M）， 不論作為父本或是母本，都可以和馬齒類玉米及爆裂玉米正常雜交結(jié)實(shí)。玉米中的UCI現(xiàn)象早在1902年就被觀察到，全世界多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員努力多年試圖解析Ga1位點(diǎn)的遺傳機(jī)制。普遍認(rèn)為在Ga1位點(diǎn)存在決定花粉與雌穗親和性的雌、雄兩種因子，也即雙因子模型。2018年中科院遺傳與發(fā)育所陳化榜研究團(tuán)隊(duì)成功克隆了Ga1位點(diǎn)的雄性決定因子ZmGa1P（Zhang et al, Nat Commun, 2018）。然而，不知什么原因，Ga1位點(diǎn)的定位區(qū)間大小始終保持在2Mb左右，無(wú)法進(jìn)一步精細(xì)定位，深入解析該位點(diǎn)。

 

　　為解決這一難題，嚴(yán)建兵教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以SK （Ga1-S）和Zheng58 （ga1）為親本的分離群體，并創(chuàng)造性地把后代基因型偏分離程度作為表型，簡(jiǎn)化了定位工作的難度，在Ga1定位區(qū)段內(nèi)鑒定到了兩個(gè)可以同時(shí)影響偏分離的區(qū)段 （Component1, Component2）。借助高質(zhì)量組裝的SK與B73 （ga1） 基因組，從比較基因組學(xué)的角度出發(fā)，完整揭示了Ga1位點(diǎn)在Ga1-S與ga1基因組間的變異，比對(duì)結(jié)果顯示在一段約1.7Mb的區(qū)間內(nèi)，二個(gè)基因組幾乎不存在序列的共線性，這也解釋了之前多個(gè)課題組無(wú)法精細(xì)定位的原因。

 

　　利用轉(zhuǎn)錄組以及群體基因組重測(cè)序的數(shù)據(jù)，研究人員在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)鑒定到三類共七個(gè)可能決定不親和表型的基因，分別為五個(gè)在Ga1-S與Ga1-M花粉中高表達(dá)的果膠甲酯酶 （PME） 基因 （ZmGa1Ps-m），一個(gè)只在Ga1-S花絲中表達(dá)完整轉(zhuǎn)錄本的PME基因ZmPME3，以及一個(gè)在ga1與Ga1-M花絲中高表達(dá)而在Ga1-S完全缺失的基因ZmPRP3。

 

　　利用轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)對(duì)每個(gè)基因的功能分別進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，ZmPME3對(duì)不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管具有強(qiáng)烈的抑制作用，卻不會(huì)抑制攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管的延伸。另外，在ZmPME3表達(dá)量相對(duì)較低時(shí)，ZmPRP3可以幫助不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管打破ZmPME3的抑制作用。從遺傳關(guān)系來(lái)看，三類基因之間理論上可以產(chǎn)生8種不同的基因型組合，但實(shí)際上，在現(xiàn)有的栽培玉米群體中只觀察到了其中的三種，通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法，研究人員創(chuàng)造出了另外三種不存在于自然界中的材料，并且經(jīng)過(guò)雜交實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了所有雌，雄配子結(jié)合后的育性，其中，不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉很難與攜帶ZmPME3并且不表達(dá)ZmPRP3的雌穗雜交結(jié)實(shí)，這一點(diǎn)在將來(lái)可以成為制造玉米制種的生物屏障提供了理論依據(jù)。值得一提的是，雖然ZmPME3與ZmRPR3都在花絲中表達(dá)，然而，通過(guò)免疫組化以及差異表達(dá)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)二者處在完全獨(dú)立的調(diào)控途徑上，這意味著多種分子機(jī)制參與了對(duì)UCI表型的調(diào)控，三類基因之間也許只存在遺傳關(guān)系，而并不存在互作與上下游關(guān)系。

 

　　研究人員借助中國(guó)古代神話故事《封神榜》中的人物關(guān)系，形象地展示了三類基因之間地關(guān)系。哪吒代表ZmGa1Ps-m，擁有最強(qiáng)的武力值，可以破除一切障礙。ZmPME3的角色則是哼哈二將，阻止花粉管的前進(jìn)。雷震子代表ZmPRP3, 武力值不如哪吒，并非最高級(jí)的戰(zhàn)神，但在ZmPME3表達(dá)量較低時(shí) （比如哼哈二將只來(lái)了一個(gè)），也能夠幫助花粉管突破障礙。

 

　　進(jìn)一步，利用實(shí)驗(yàn)室擁有的大量野生玉米，農(nóng)家種和現(xiàn)代栽培玉米的基因組數(shù)據(jù)， 推測(cè)了Ga1位點(diǎn)的演化路徑。玉米的野生祖先種在Ga1位點(diǎn)可能存在兩種完全不同的單倍型，一種被選擇變成今天的普通玉米類型（ga1）；而另外一種單倍型通過(guò)喪失PME3基因的功能，變成今天廣親和玉米類型（Ga1-M）；或者通過(guò)丟失ZmPRP3基因演變?yōu)榻裉斓谋延衩最愋停℅a1-S）。Ga1位點(diǎn)為重新理解玉米的起源進(jìn)化提供了不同的視角。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授為該論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王躍斌、博士后李文強(qiáng)為該論文的共同第一作者。德國(guó)雷根斯堡大學(xué)Thomas Dresselhaus教授、德國(guó)馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美國(guó)農(nóng)業(yè)部Marilyn L. Warburton博士、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)肖英杰教授、楊寧教授、郭婷婷教授、已畢業(yè)碩士研究生王露茜和盧剛、博士研究生嚴(yán)佳麗和許潔婷以及博士后陳庚申、桂松濤等都參與了該項(xiàng)工作。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

 

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　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-32180-9