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学术进展| 北京科技大学发表玉米雄花序遗传和分子调控机制综述

作者:王彦博、董振营

玉米雄穗位于植株顶端,其花序结构和雄性育性对玉米产量均具有重要影响。目前已克隆出40多个调控雄穗结构的功能基因,但是从花序分生组织起始到雄穗形态建成全过程的分子机制却鲜有报道。玉米是杂种优势利用最成功的作物之一,挖掘雄性不育(GMS)基因对开发基于生物技术的雄性不育(BMS)系统进行杂交育种具有重要意义。在玉米中已有30多个GMS基因被分离和鉴定,其中至少15个GMS基因在过去两年内通过CRISPR/Cas9技术迅速得到功能验证,因此亟需更新和总结玉米雄性育性的分子调控网络。


2022年5月26日,MDPI旗下期刊Cells(Impact Factor: 6.600; 5-Year Impact Factor: 6.663)在线发表了北京科技大学生物与农业研究中心万向元团队题为“Genetic Structure and Molecular Mechanisms Underlying the Formation of Tassel, Anther, and Pollen in the Male Inflorescence of Maize (Zea mays L.)”的综述文章。

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该综述首先详细阐述了玉米雄穗形态建成的细胞生物学过程(图1),即顶端分生组织(SAM)转换为花序分生组织(IM)后,IM基部分化产生分支分生组织(BM),BM和IM进一步连续分化产生小穗对分生组织(SPMs)、小穗分生组织(SMs)、上位花分生组织(UFM)和下位花分生组织(LFM),每个小花包含三枚花药。花药和花粉发育则分为4个阶段(Phase I至Phase IV)和14个时期(Stage1至Stage14,其中,Stage8包含Stage8a和Stage8b)。通过系统总结调控玉米雄穗发育的重要基因,构建了玉米雄穗发育的分子调控网络(图2)。发现CLV-WUS负反馈通路、KN1通路和MSCA1介导的氧化还原信号通路主要调控分生组织的活性和维持,生长素(Auxin)信号通路主要调控腋生分生组织(AM)的起始和形成,分生组织命运决定的调控机制较为复杂,涉及RAMOSA通路以及miRNA调控等过程。由此可知,玉米雄穗形态是由多基因调控的复杂性状。近年来利用数量遗传学方法已鉴定出大量相关遗传位点,在总结超过20年来雄穗性状遗传研究的基础上构建了雄穗性状遗传位点的一致性物理图谱,并确定了97个可被不同实验室重复鉴定的热点区间(图3),这为进一步的基因克隆和育种应用提供了可靠靶点。

近两年来GMS基因的克隆鉴定进展迅速,本综述由此更新了玉米GMS基因调控花药和花粉发育的工作模型。GMS基因根据其表达时期不同在花药和花粉发育的不同阶段行使功能,发现GMS基因主要参与转录调控、脂质代谢、糖代谢相以及未知过程。其中转录因子间相互调控关系研究较多,其次为脂质代谢基因,但是目前GMS基因的分子作用机制以及不同GMS基因间的相互调控作用尚存在大量空白(图4),仍需进一步深入研究。

同时对雄穗调控和GMS基因的育种应用策略展开了讨论,指出创制重要功能基因的弱等位(Weak allele)对育种应用尤为重要;不同BMS系统的开发则使GMS基因的应用更加简洁有效,其中显性核不育(DGMS)系统可广泛应用于无已知GMS基因的作物育种。

综上所述,本研究所总结玉米雄穗形态和雄性育性相关基因及其分子作用机制对进一步克隆玉米功能基因和分子设计育种应用具有指导意义。最后,讨论了未来研究方向和重点,以及快速高效分离调控雄穗形态和雄性育性基因的方法及其在玉米分子育种中的应用策略。

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北京科技大学生物与农业研究中心博士生王彦博为第一作者,北京科技大学副教授董振营和万向元教授为通讯作者,该研究受到国家重点研发计划项目(2021YFF1000302, 2021YFD1200700)以及中央高校基本科研业务费专项资金(06500136)资助。


原文链接:https://doi.org/10.3390/cells11111753



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