遺傳發育所玉米單向雜交不親和研究取得進展

　　玉米是我國播種面積最大、產量最高的作物之一。玉米用途廣泛，除作為飼料外，還有各種工業用途，并為人類提供優質的蛋白和淀粉。玉米雌雄同株異花，天然異交率高達95%以上，因此雜交種制種和專用玉米的生產需要嚴格隔離。常規的時間和空間隔離措施費時費力、難度大。如何利用科學的方式實現玉米無隔離生產，是亟需解決的生產難題。一般情況下，玉米自交和雜交都能夠結實，但自然界存在少數玉米不接受其他玉米花粉的現象，稱為玉米的單向雜交不親和（Unilateral cross-incompatibility， UCI）。有研究在玉米中報道了Ga1、Ga2和Tcb1三個UCI位點，分別由花粉和花絲決定因子構成。自然界中的玉米根據UCI位點的結構與功能分為三種類型：S型（Ga1-S、Ga2-S和Tcb1-S），同時含有花粉和花絲決定因子基因；M型（Ga1-M、Ga2-M和Tcb1-M），只含有花粉決定因子基因；普通類型（ga1、ga2和tcb1），既不包含花粉又沒有花絲決定因子基因。UCI控制單倍體配子的有性傳遞方向，可用于不同類型玉米間的生殖隔離。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所陳化榜研究組致力于玉米單向雜交不親和研究，先后報道了Ga1和Ga2位點的花粉和花絲因子基因及其應用（Zhang et al., 2012；Zhang et al., 2018，Chen et al., 2022；Cai et al., 2022）。近期，該團隊在玉米不親和研究方面再次取得重要進展。該研究克隆了Tcb1位點的花粉決定因子Tcb-m。這是玉米不親和系統“最后一個”被克隆的決定因子基因。至此，三個不親和位點的所有關鍵決定因子均被克隆驗證，為玉米不親和系統之間共性和特異性的研究奠定了基礎。11月16日，相關研究成果以A pollen expressed PME gene at Tcb1 locus confers maize unilateral cross-incompatibility為題，在線發表在Plant Biotechnology Journal上。

　　研究發現，玉米Tcb1位點的花粉因子Tcb1-m編碼果膠甲酯酶（Pectin Methylesterases，PME），在Tcb1-S型材料的花粉中特異表達。研究顯示，通過轉基因的方式在普通玉米中表達Tcb1-m基因，可使其為Tcb1-S型材料授粉結實。Tcb1位點和Ga1位點緊密連鎖，它們的花粉之間和花絲因子之間高度相似，兩個位點是串聯重復關系。然而，Tcb1位點只存在于玉米原始祖先大芻草中，而Ga1位點同時存在于大芻草和玉米中，表明兩個位點在玉米馴化以后發生分化，并產生了特異性。自然界中的普通玉米也存在一定數量的含有Ga1或Ga2位點的材料，會降低玉米UCI位點的應用價值。該研究將含有三個位點的材料進行不同形式的位點組合，創制了同時含有兩個或三個不親和位點的聚合材料，不僅能夠更加有效的阻礙普通玉米的花粉，并且能夠有效防止含有單一不親和位點的材料穿透的風險，進一步提高了玉米不親和在無隔離制種和生產中的應用。該研究為不親和系統的機理解析奠定了材料基礎。

　　研究工作得到國家自然科學基金的支持。