首個突破我國克隆玉米單向雜交不親和基因

記者從中國科學院遺傳與發育生物學研究所獲悉，該所陳化榜研究組與周奕華研究組及薛勇彪研究組合作，在玉米單向雜交不和基因研究領域取得突破，首次克隆了控制玉米單向雜交不親和現象的基因ZmGa1P，并對其不親和機理進行了探究。該成果于2018年9月10日在Nature Communications雜志上在線發表。

親和性是物種進化和形成的生物學基礎，決定和平衡著地球上植物種群的多樣性和穩定性。解析控制植物種間和種內不親和性的分子機制一直是植物學研究的熱點方向。玉米是典型的異花授粉作物，通常其自交和雜交均能正常結實。然而自然界中一些玉米品種不接受外來花粉而授精結實，這種現象被稱為單向雜交不親和性 (Unilateral Cross-Incompatibility, UCI)。由于UCI影響了花粉配子的傳遞方向，人們最早將控制這一現象的基因稱之為Gametophyte Factor (Ga)。第一個玉米單向雜交不親和位點(Ga1)是由Correns于1902年發現，是單向雜交不親和性最徹底的位點之一，并在爆裂玉米育種和生產上廣為應用。隨后多個控制玉米雜交不親和的位點被陸續發現，但尚未有任何基因被克隆。一百多年來，玉米UCI的分子機理一直是個迷。

陳化榜研究團隊對Ga1位點控制的玉米雜交不親和現象的研究始于2008年，經過10年的不懈努力，提出了Ga1位點的雙因子遺傳控制模型，并創新性地應用“同質群體”的22,000個單株對Ga1位點中的雄性控制基因ZmGa1P進行遺傳精細定位，結合1299份玉米自交系的基因型數據及與Ga1位點關系的表型結果，利用600K SNP芯片開展全基因組關聯分析，確定了候選基因。通過對薛勇彪研究組構建的Ga1-S型自交系的BAC文庫進行篩選測序，最終克隆了ZmGa1P。轉基因功能驗證證實了所克隆基因的正確性。ZmGa1P編碼一個在Ga1-S和Ga1-M型玉米自交系花藥中特異表達的果膠甲酯酶(Pectin methylesterase, PME)。周奕華研究組通過大量的生化和細胞學研究，發現ZmGa1P位于花粉管頂端，與另一個花粉管特異表達的PME蛋白互作，共同維持花粉管正常的甲酯化修飾程度，以保障花粉管在Ga1-S型花絲中的正常伸長，并最終授精結實。

ZmGa1P基因的成功克隆為實現玉米無隔離雜交種制種、特用玉米與普通玉米以及轉基因和非轉基因玉米的生殖隔離創造了條件。通過多年的育種實踐，陳化榜研究組已利用該位點育成了我國首個雜交不親和糯玉米組合，實現了玉米不親和現象的無隔離應用。在理論方面，不同于已發現的植物種間和種內不親和性是由核酸酶介導的降解途徑決定的分子機制，該研究首次發現玉米中的不親和性是由調控花粉管生長的PME復合體所控制，該機制也可能普遍存在于單子葉植物中。因此，這項成果具有重要的理論創新和應用前景。

據悉，陳化榜研究組博士研究生張照貴和周奕華研究組副研究員張保才為該論文共同第一作者。該研究得到了國家轉基因專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委以及中科院青年創新促進會的資助。