最近几年通过在玉米中解析出控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1和ZmDMP,到后期利用发现的控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1和ZmDMP在各物种的保守性,已经在水稻、小麦中也实现了高效率的单倍体诱导作用,同时DMP实现了在双子叶拟南芥单倍体的诱导。因此,单倍体诱导基因的解析和保守性结合基因编辑技术的利用,将有望创建单双子叶作物单倍体快速育种新体系,在现代作物育种应用方面具有广阔前景!我们公众号iPlants注意到,来自中国农业大学陈绍江教授课题组在作物单倍体诱导基因的解析及应用领域做出了重要的突出贡献。其中联合发现玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1和ZmDMP基因,并且首次证实在其他单子叶植物小麦和水稻和双子叶拟南芥植物中的保守型。
如:2019年6月10日,Nature Plants在线发表了中国农业大学农学院陈绍江研究团队题为“Mutation of ZmDMP enhances haploidinduction in maize”的研究论文。该研究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另一个关键基因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。
2. 2020年2月,pbj在线发表了中国农业大学陈绍江教授课题组联合小麦组题为“Extension of the in vivo haploid induction system from maize to wheat”的研究论文。该研究在克隆玉米单倍体关键诱导基因 ZmPLA1 的基础上,以异源六倍体的普通小麦为模式开展了基因功能验证研究。通过同源基因克隆、基因编辑等方法,成功获得了小麦磷脂酶基因TaPLA的突变体。实验数据表明,该突变体能够产生约 2%-3% 的单倍体籽粒,TaPLA基因突变并不影响小麦的生长发育及花粉活力(点击查看)。3. 2020年5月15日,Nature Plants在线发表了来自中国农业大学农学院陈绍江教授团队题为“A DMP-triggered in vivo maternal haploid induction system in the dicotyledonous Arabidopsis”的研究论文。该研究通过对基因序列比对分析,发现玉米单倍体诱导基因ZmDMP在双子叶植物中的保守性较高。为验证其在双子叶植物上的功能,研究团队对拟南芥中的ZmDMP同源基因进行敲除,成功获得了拟南芥的单倍体。该研究首次将玉米孤雌生殖单倍体的诱导方法拓展至双子叶植物拟南芥中,并建立了基于荧光的拟南芥单倍体籽粒鉴别方法,为建立双子叶作物单倍体育种技术体系奠定了基础。研究成果以为题于期刊发表。
4. 近期,中国农业大学陈绍江教授和刘晨旭副教授联合其他研究团队,在植物领域知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上发表题为“In vivo maternal haploid induction in tomato”的研究成果。首次建立了番茄单倍体诱导系统,为创建单双子叶作物通用的跨物种单倍体快速育种技术体系奠定了基础。
番茄是我国也是世界上最重要的蔬菜作物之一,全球年总产量近2亿吨。目前生产上使用的番茄品种主要是杂交种,因此亲本纯系的创制是其育种的关键步骤。传统方法获得番茄纯系一般需要多代自交,周期长、效率低。尽管科学家们一直在试图建立番茄的单倍体快速育种技术体系,但迄今仍未取得突破。中国农业大学陈绍江教授团队经过长期研究,已建立起高效的玉米单倍体育种技术体系并成功大规模的应用于育种实践。该研究突破了无法诱导获得番茄单倍体的难题,有望成为番茄等双子叶作物纯系创制的加速器和高铁技术。
研究团队在克隆玉米单倍体关键诱导基因ZmDMP的基础上,利用拟南芥首先验证了该基因在双子叶植物中功能的保守性。为进一步验证其在重要双子叶作物中的应用价值,研究团队通过序列比对,发现ZmDMP在番茄中存在1个同源基因。实验结果表明,敲除该基因后在产生败育种子的同时,可以在杂交和自交后代中形成一定比例的母本单倍体,证明了番茄中SlDMP基因突变同样具备独立的单倍体诱导的能力。对杂交产生的单倍体进行的高通量测序结果表明,这些单倍体均不携带来自父本的染色体组,这说明sldmp突变体诱导产生的是纯母本单倍体。为解决番茄单倍体的快速高效鉴别难题,该研究还建立了荧光快速鉴别方法。通过浸湿种子和刚萌发根尖荧光的两步观察,可实现番茄单倍体的精准鉴别。基于创建的番茄单倍体诱导鉴别技术体系,团队还对不同遗传背景的番茄进行了诱导效应研究。实验表明,以创制的番茄单倍体诱导系为父本,与36个材料杂交均能够产生单倍体,诱导率变幅为0.5% ~ 3.7%,平均诱导率为1.9%,这表明以DMP-HI系统为基础的番茄单倍体诱导体系无明显的基因型依赖性,表现出很好的通用性。同时,由于番茄具有较好的繁殖性能,有助于单倍体加倍并实现较高通量的DH纯系创制。因此本研究所创建的技术体系有望对番茄育种的提速增效发挥重要作用。
该研究验证了番茄DMP基因单倍体诱导的功能,解决了番茄单倍体产生的关键技术瓶颈,创制了国际上首个番茄单倍体诱导系及其配套的诱导鉴别技术,研究结果不仅可为相关核心技术的研发起到引领作用,也可为更多作物上创建通用的跨物种单倍体快速育种技术体系及杂种优势利用效能提升开辟新的路径。
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