有助遏制花粉漂移，為制種和鮮食玉米生產(chǎn)提供無(wú)隔離全新方案

白色玉米為單向雜交不親和新品種，未見(jiàn)與鄰近黃色玉米“串粉”現(xiàn)象。受訪者供圖

玉米是很多粗糧愛(ài)好者的心頭好。細(xì)心的“吃貨”會(huì)發(fā)現(xiàn)，市面上的“純種”玉米單價(jià)更高。

和小麥、水稻的自花授粉不同，作為三大主糧之一的玉米，雖然“雌雄同株”，但卻是典型的異花授粉作物，這使得大田里的玉米往往因?yàn)椤按邸倍y以保持其“純種”特性。為了生產(chǎn)賣相和口感更好的純種玉米，不得不采取時(shí)間或空間等隔離措施，給生產(chǎn)帶來(lái)了困難，增加了成本。

神奇的是，自然界中也有一些“自私”的玉米類型，其花粉可以外傳，但卻不接受外來(lái)的花粉。這一天然存在的生物學(xué)隔離屏障，為純種玉米生產(chǎn)和制種提供了全新的無(wú)隔離解決方案。

科學(xué)家早在100多年前就發(fā)現(xiàn)了玉米間的這種“單向雜交不親和性” (UCI)。但由于其遺傳機(jī)制的復(fù)雜性，加之不同玉米類型之間基因組結(jié)構(gòu)的差異，控制這一現(xiàn)象的基因克隆、機(jī)理研究進(jìn)展極為緩慢，舉步維艱，堪稱“世紀(jì)難題”。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陳化榜研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年不懈努力，在玉米單向雜交不親和領(lǐng)域再次取得突破，揭開(kāi)了玉米UCI的神秘面紗，系統(tǒng)闡述了其分子機(jī)理，并培育出我國(guó)首個(gè)單向雜交不親和的鮮食玉米新組合，相關(guān)成果4月15日發(fā)表于《自然—通訊》。

“優(yōu)秀”、“重要”，這是三位審稿人不約而同給出的評(píng)價(jià)。

破解世紀(jì)之謎

1902年，德國(guó)植物學(xué)家科倫斯在研究甜玉米突變基因su的后代時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種非孟德?tīng)栠z傳現(xiàn)象——單親遺傳的極端形式。當(dāng)該基因材料跟其它材料雜交后，它的后代會(huì)出現(xiàn)本文開(kāi)頭所描述的僅擴(kuò)大自身基因，而排斥外來(lái)花粉的“自私”現(xiàn)象。

“物種親不親和，決定和平衡著地球上植物種群的多樣性和穩(wěn)定性?！标惢裾f(shuō)，不親和性是玉米、水稻、高粱等各類物種保持自身特性的一個(gè)重要機(jī)制。但在自然變異和人類馴化過(guò)程中，一些物種或其亞種之間的不親和基因會(huì)逐漸丟失，相互交流遺傳物質(zhì)，使得植物擁有種群的多樣性和人們所需要的性狀。

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(xiàn)象的基因稱之為配子體基因（Ga）?？苽愃拱l(fā)現(xiàn)的第一個(gè)UCI位點(diǎn)被命名為Ga1，是單向雜交不親和性最徹底的位點(diǎn)之一。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們都認(rèn)為UCI是由雄配子——花粉的行為主導(dǎo)，而忽略了雌配子的角色。直到1965年，研究人員才逐漸意識(shí)到雌配子也參與其中。

盡管如此，關(guān)于UCI的遺傳規(guī)律卻一直并未揭開(kāi)。

通過(guò)對(duì)大規(guī)模群體的遺傳分析，2018年陳化榜團(tuán)隊(duì)揭示了Ga1位點(diǎn)后雌雄決定因子共同作用的模式?！皩?shí)際上有一對(duì)決定因子，雌配子體形成一個(gè)‘盾’阻止外來(lái)的雄配子花粉，但它自己的花粉又產(chǎn)生一個(gè)‘矛’可以穿透自己的‘盾’?！彼扔髡f(shuō)，現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)另一個(gè)基因位點(diǎn)Ga2也通過(guò)這種機(jī)制控制UCI的現(xiàn)象。

“其實(shí)，Ga1和Ga2都是個(gè)‘老基因’，它們的雌雄決定因子都編碼果膠甲酯酶（PME），在果醬、沙司、果粒等水果制品加入它能夠提高硬度、改善黏度和口感，并影響細(xì)胞壁的組成和結(jié)構(gòu)?！标惢癖硎?，但此前從未報(bào)道過(guò)它與作物的不親和性有關(guān)。

新研究發(fā)現(xiàn)了老基因的新功能，表明PME可調(diào)控花粉管細(xì)胞壁中果膠的甲酯化水平，不親和花粉管頂端的甲酯化果膠含量較親和性的玉米更高。

由于UCI材料普遍來(lái)自爆裂玉米和祖先大芻草，與普通玉米基因組序列存在較大差異，其雜合子同源染色體配對(duì)程度較差，染色體之間重組較少，極大增加了UCI位點(diǎn)的精細(xì)定位和圖位克隆的難度。自玉米的UCI現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)一個(gè)世紀(jì)多來(lái)，一直無(wú)法克隆出UCI位點(diǎn)的關(guān)鍵基因。

為應(yīng)對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了UCI材料的細(xì)菌人工染色體數(shù)據(jù)文庫(kù)(BAC)，并借助全基因組關(guān)聯(lián)分析和基因組轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)的從頭拼接，率先圖位克隆了相關(guān)雌、雄決定因子，并通過(guò)基因互補(bǔ)和過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因等手段驗(yàn)證了其功能。

“玉米配子體不親和性的決定因子一直是近100年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)，我認(rèn)為這是一項(xiàng)針對(duì)UCI這個(gè)重要主題的優(yōu)秀成果。我很熟悉這些作者的其他研究，我對(duì)他們過(guò)去研究的質(zhì)量和水平印象深刻，這篇文章也不例外。”一位審稿人如是評(píng)論說(shuō)。

鮮食玉米新組合

如果將這一理論機(jī)制映射到育種實(shí)踐中，無(wú)疑有助于解決玉米生產(chǎn)中的“串粉”問(wèn)題。

基于對(duì)UCI位點(diǎn)的遺傳解析和精細(xì)定位，陳化榜團(tuán)隊(duì)同步開(kāi)發(fā)了功能分子標(biāo)記，采用回交轉(zhuǎn)育加分子標(biāo)記輔助選擇的方法，將UCI位點(diǎn)導(dǎo)入我國(guó)種植面積最大的糯玉米品種JKN2000的親本中，培育了首個(gè)“UCI鮮食玉米”新組合。

“其異交率低于千分之一，可實(shí)現(xiàn)JKN2000的無(wú)隔離制種及無(wú)隔離生產(chǎn)。”陳化榜介紹，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)有效解決了我國(guó)一家種業(yè)公司向國(guó)外出口該品種時(shí)，由于“串粉”造成純度降低進(jìn)而影響價(jià)格的實(shí)際問(wèn)題。

傳統(tǒng)鄰近種植的玉米會(huì)發(fā)生“串粉”現(xiàn)象，導(dǎo)致玉米籽粒（左圖）不純，而含有UCI位點(diǎn)的玉米新材料（右圖）不受外來(lái)花粉“傳粉”污染。受訪者供圖

同時(shí)，他表示玉米UCI系統(tǒng)由多個(gè)位點(diǎn)獨(dú)立控制，如Ga1、Ga2和Tcb1位點(diǎn)，這些系統(tǒng)不會(huì)接受外來(lái)的花粉，同樣相互之間也不親和。為降低單一UCI位點(diǎn)被個(gè)別材料“穿透”授粉的風(fēng)險(xiǎn)，他們將這些互不親和的UCI位點(diǎn)聚合在一起，創(chuàng)造了自然界中不存在的種質(zhì)資源。

“在自然界當(dāng)中，這樣的種質(zhì)資源需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間才可能聚合于一體，甚至永遠(yuǎn)不可能完成?！标惢裾f(shuō)。

那么，他們是如何通過(guò)人工干預(yù)，讓這種彼此不親和的基因聚合在一起的呢？陳化榜介紹，玉米的雌配子體位于花絲基部，而由花粉產(chǎn)生的花粉管則生長(zhǎng)在花絲中，只有當(dāng)花粉管成功進(jìn)入花絲并輸送雄配子體與花絲基部的雌配子體卵細(xì)胞結(jié)合時(shí)才能受精結(jié)實(shí)，而玉米不親合的原因是由于花絲阻擋了花粉管走向雌配子體。

針對(duì)這一特性，他們創(chuàng)造了“切割花絲”授粉法，直接將花粉授到花絲基部，打破了不同UCI位點(diǎn)之間的生殖壁壘，培育了首個(gè)“多聚UCI”的新種質(zhì)，為后續(xù)培育相關(guān)新組合奠定了材料基礎(chǔ)。

據(jù)介紹，研究的另一創(chuàng)新點(diǎn)是發(fā)明了“同質(zhì)群體”的定位方法。基于對(duì)UCI遺傳規(guī)律的解析，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了針對(duì)UCI雄性決定因子獨(dú)有的定位策略，無(wú)需鑒定植株表型，直接測(cè)定基因型即可完成對(duì)雄性決定因子的定位，提高了UCI位點(diǎn)的定位效率。而按照常規(guī)方法，則需要對(duì)定位群體一對(duì)一授粉觀察果穗結(jié)實(shí)表型，限制了定位群體的擴(kuò)大，定位效率低。

“無(wú)隔離”制種新方案

玉米是世界范圍內(nèi)雜種優(yōu)勢(shì)利用最有成效的作物。上世紀(jì)30年代起雜交種的利用和推廣，使世界玉米產(chǎn)量有了質(zhì)的飛躍。

我國(guó)玉米種植區(qū)域分布范圍廣，各產(chǎn)區(qū)自然條件差異顯著，產(chǎn)區(qū)內(nèi)小氣候復(fù)雜多變，使得我國(guó)玉米雜交種類型豐富多樣。

“不同品種制種田之間的隔離，是我國(guó)玉米制種中面臨的一大難題，長(zhǎng)期困擾我國(guó)種業(yè)工作者?！标惢裱芯繂T舉例，就我國(guó)“制種圣地”甘肅張掖，每年百萬(wàn)畝左右的土地面積要承擔(dān)約上百個(gè)品種的制種任務(wù)?！案綦x區(qū)”的協(xié)調(diào)和布局已成為當(dāng)?shù)刂品N面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。

UCI的應(yīng)用和相關(guān)位點(diǎn)之間的科學(xué)布局將使 “無(wú)隔離制種”成為可能。

同時(shí)，隨著人們生活水平的提高及醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)對(duì)特用玉米的需求日趨增加，特用玉米的純度是衡量其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)?！癠CI的應(yīng)用也將成為解決特用玉米免受普通玉米串粉的一種有效手段?！标惢裱芯繂T介紹。

“這是一份優(yōu)秀的研究，對(duì)玉米的單向雜交不親和系統(tǒng)提供了有價(jià)值的知識(shí)。它們很重要，對(duì)爆米花行業(yè)以及有機(jī)/非轉(zhuǎn)基因市場(chǎng)具有重要價(jià)值?！绷硪晃粚徃迦苏f(shuō)。

在北方種植的白色鮮食玉米為單向雜交不親和新品種，未見(jiàn)與鄰近黃色玉米“串粉”。受訪者供圖

科學(xué)研究從來(lái)不是一蹴而就，正是由于十幾年如一日的堅(jiān)持和積累，陳化榜團(tuán)隊(duì)才在玉米UCI領(lǐng)域取得了數(shù)個(gè)“從零到一”、從簡(jiǎn)單到深入的創(chuàng)新研究成果，刷新了一個(gè)世紀(jì)以來(lái)人們對(duì)UCI的認(rèn)知。

“現(xiàn)在，我們可以充滿信心地說(shuō)，玉米單向雜交不親和的研究，中國(guó)學(xué)者已經(jīng)走在世界前列?！标惢裣ＭM(jìn)一步將理論研究和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和制種技術(shù)升級(jí)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29729-z.

https://doi.org/10.1038/s41467-018-06139-8

標(biāo)簽： 雌配子體 不親和性