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最新观点| 玉米单向杂交不亲和机制研究取得突破

    作者:赵薇、HQC

    玉米是我国重要的粮食、饲料和工业原料作物,在发展国民经济和保障粮食安全中占有重要地位。与小麦、水稻等自花授粉植物不同,玉米虽然“雌雄同株”,但却是典型的异花授粉作物。然而,自然界中存在一类神奇的玉米,它产生的花粉能为其它种类玉米授粉结实,却不能接受其他不同种类的玉米授粉结实,这一天然存在的生物学隔离屏障被称为单向杂交不亲和(Unilateral cross-incompatibility,UCI)。

    最近,中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究团队经过多年不懈努力,在玉米单向杂交不亲和领域再次取得突破,系统阐述了其分子机理,并培育出我国首个双UCI位点聚合新材料。该成果以题为“Apair of non-Mendelian genes at the Ga2 locus confer unilateralcross-incompatibility in maize于2022年4月14日在线发表于Nature CommunicationsDOI:10.1038/s41467-022-29729-z)。


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该研究发现Ga2位点不亲和是由于花丝阻挡了普通花粉管延伸向其雌配子体所导致,并通过图位克隆获得了Ga2位点的雌、雄决定因子ZmGa2FZmGa2PZmGa2F控制花粉管伸长,ZmGa2P 控制花丝阻碍能力。ZmGa2FZmGa2P 均编码groupI 果胶甲酯酶(Pectin Methylesterases,PME),对Ga2位点近等基因系进行免疫细胞学观察发现,不亲和组合中ga2 花粉管顶端的甲酯化程度较亲和组合显著升高,但具体分子机制还在进一步研究中。为了验证Ga2位点在玉米制种及生产中的应用价值,陈化榜团队采用回交转育将Ga2位点导入杂交种“郑单958”的双亲并通过杂交获得了“Ga2型郑单958”;而含有纯合Ga2位点的“郑单958”可规避其他普通玉米花粉的污染而保持其自身种子纯度。玉米UCI系统由多个位点独立控制,为降低中间型材料给单一Ga位点应用带来的风险,他们将互不亲和的UCI位点Ga2和Ga1聚合在一起,创制出双UCI位点聚合新材料,为玉米无隔离制种和生产奠定了基础。

这一研究提高了我们对玉米的单向杂交不亲和系统分子机制的理解,对推动产业发展和制种技术升级具有重要价值。


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图:Ga2位点的分子遗传和应用研究

(A) Ga2位点花粉决定因子ZmGa2P的转基因功能验证;

(B) Ga2位点花丝决定因子ZmGa2F的转基因功能验证;

(C) 花粉管顶端甲酯化观察;

(D) Ga2位点无隔离生产应用。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29729-z




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