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最新观点| 玉米单向杂交不亲和位点Tcb1雄性决定因子基因被克隆

作者:齐羽晨、候全璨

玉米是一种风媒和虫媒授粉的作物,在育种和制种中如何保证正确授粉一直是一项难题。单向杂交不亲和(Unilateral cross incompatibility,UCI)是自然界中玉米花粉可外授结实,但不能接受其他种类玉米的花粉的现象。UCI在1902年被发现,至今报道了三个最关键的不亲和位点: Gametophyte factor1(Ga1)、Gametophyte factor2(Ga2)和Teosinte crossing barrier1(Tcb1)。三个位点都包括一对雄性和雌性决定因子,每个位点都有三种等位基因:S型(兼具雄性和雌性决定因子),M型(只有雄性决定因子)和野生型(雌雄决定因子都没有)(Liu, Sun et al. 2014)。花丝通过雌性决定因子形成屏障阻止外来花粉,而其自身的花粉通过雄性决定因子突破该屏障成功授粉。

严建兵团队在Ga1中鉴定到三类基因,并提出三基因模型:Ga1-S花丝高表达的ZmPME3能抑制野生型花粉管的生长,Ga1-S与Ga1-M花粉中高表达的ZmGa1Ps-m能突破ZmPME3的阻碍,而在ZmPME3表达较低的情况下,ga1与Ga1-M花丝中高表达的ZmPRP3也能突破ZmPME3的阻碍(Wang, Li et al. 2022)。陈化榜团队鉴定了Ga2中雌、雄决定因子ZmGa2F和ZmGa2P,并克服生殖壁垒创造了Ga1和Ga2聚合位点新材料(Chen, Zhang et al. 2022)。Tcb1的雌性决定因子也得到了鉴定,且和Ga1的雌性决定因子ZmPME3有高度同源性(Lu, Hokin et al. 2019)。只有Tcb1雄性决定因子目前还没得到鉴定。

2022年11月16日,中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组在PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL发表了题为“A pollen expressed PME gene at Tcb1 locus confers maize unilateral cross-incompatibility”的研究论文。该团队克隆了Tcb1雄性决定因子Tcb-m,至此“全部”不亲和位点基因都得到了鉴定,玉米不亲和系统得到进一步的完善。

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自从发现Tcb1和Ga1的雌性决定因子序列高度相似以来,研究者一直推测两者的雄性决定因子也可能是保守的。研究者首先从401C (Ga1-MTcb1-S/Ga1-MTcb1-S)和B73(ga1tcb1/ga1tcb1)杂交的F2代中鉴定得到了具有Tcb1雄性功能的401T系(图1a),之后利用ZmGa1P设计PCR引物,从401T中获得了候选Tcb1-m基因,该基因序列和ZmGa1P具有96.59%的相似性。

RNA-seq profiling和quantitative PCR实验证明Tcb1-m基因是401T系和B73系中第三显著差异表达的基因,在401T花粉中特异表达(图1b),而tcb1(B73)的花粉中没有表达(图1c)。研究人员用Tcb1-m候选基因自身的启动子和ZmGa1P的启动子分别构建转基因植株(图1d, e),并用qPCR证实了Tcb1-m在转基因植株中表达(图1g, i)。结果表明以401C为母本,接受T1转基因植株花粉可结实,接受非转基因花粉不可结实(图1f, h)。虽然Tcb1-m候选基因和ZmGa1P具有高度序列相似性,但Tcb1-m转基因植株花粉不能使SDGa25(Ga1-S/Ga1-S)结实(图2),说明Tcb1-m不具备Ga1雄性决定因子的功能。进而确定候选基因Tcb1-m是Tcb1位点的雄性决定因子。与Tcb1-f一样,Tcb1-m的同源基因定位在Ga1位点,但所有的序列都不能完美匹配Tcb1-m。946个玉米自交系通过杂交亲和性分析鉴定为tcb1型,且都不携带Tcb1-m或者Tcb1-f,而21个大刍草系中12个都携带Tcb1-m和Tcb1-f(图1j)。通过基因型分析发现所有的Ga1-M和Ga1-S系以及具有Tcb1位点的大刍草中都有ZmGa1P。所有的Ga1-S系,部分Ga1-M系以及部分具有ZmGa1P的大刍草系中鉴定到ZmPME3(图1k)。Tcb1位点和Ga1位点约有20Mb的物理距离。结合雌性和雄性决定因子基因的序列相似性,研究者推测Ga1位点(或至少Ga1雄性决定因子)和Tcb1位点可能是大刍草中的串联重复基因,而在进化为玉米的过程中发生了分离。

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图1.  Tcb1 雄性决定因子基因的研究和应用

Ga1和Ga2的M型单倍体型在优良玉米自交系中普遍存在,而Tcb1仅在大刍草中存在,使Tcb1具有更好的应用价值。为了让UCI在玉米中得到更好的应用,研究者将三个位点进行了组合,建立了Ga1Ga2,Ga1Tcb1, Ga2Tcb1和Ga1Ga2Tcb1四种不同株系,并证实它们对Ga1,Ga1和Tcb1的花粉完全不亲和。Ga1Ga2,Ga1Tcb1, Ga2Tcb1彼此不亲和,但可以接受Ga1Ga2Tcb1的花粉,而Ga1Ga2Tcb1仅能接受自身基因型的花粉(图1l-o)。该研究为克服利用单一UCI位点作为生殖屏障的不足提供了一种有价值的方法,丰富了不亲和系统研究的基因资源,奠定了玉米制种、育种的材料基础。

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图2. Tcb1-m 的Ga1雄性决定因子功能的鉴定

陈化榜研究组博士后张照贵为论文第一作者,陈化榜研究员为通讯作者。已毕业博士生 陈智斌和在读博士生李凯为聚合材料的创制做出了主要贡献,转录组数据分析工作由在读博士生张腾飞完成。该课题得到了国家自然科学基金的支持。

参考文献:

Chen, Z., Z. Zhang, H. Zhang, K. Li, D. Cai, L. Zhao, J. Liu and H. Chen (2022). "A pair of non-Mendelian genes at the Ga2 locus confer unilateral cross-incompatibility in maize." Nat Commun 13(1): 1993.

Liu, X., H. Sun, P. Wu, Y. H. Tian, D. Z. Cui, C. Y. Xu, S. Li, P. Li, H. Zhang, T. T. Chen, D. T. Li, X. R. Zhao, Y. E. Zhang, Y. B. Xue and H. B. Chen (2014). "Fine Mapping of the Maize Cross-Incompatibility Locus Gametophytic Factor 1 (ga) Using a Homogeneous Population." CROP SCIENCE 54(3): 873-881.

Lu, Y. X., S. A. Hokin, J. L. Kermicle, T. Hartwig and M. M. S. Evans (2019). "A pistil-expressed pectin methylesterase confers cross-incompatibility between strains of Zea mays."NATURE COMMUNICATIONS 10.

Wang, Y., W. Li, L. Wang, J. Yan, G. Lu, N. Yang, J. Xu, Y. Wang, S. Gui, G. Chen, S. Li, C. Wu, T. Guo, Y. Xiao, M. L. Warburton, A. R. Fernie, T. Dresselhaus and J. Yan (2022). "Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize." Nat Commun 13(1): 4498.

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13962

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