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新研究突破馬鈴薯自交不親和性技術(shù)瓶頸為自交系雜交育種提供全新策略

2021-07-09 13:45:58 來源：中國科學(xué)報(bào)

馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口以馬鈴薯為主食。與大多數(shù)谷物類糧食作物不同，馬鈴薯靠種薯繁殖。

2013年起，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡稱基因組所）研究員黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合云南師范大學(xué)（以下簡稱云師大）等團(tuán)隊(duì)，發(fā)起“優(yōu)薯計(jì)劃”，即以二倍體育種替代四倍體育種，以雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。

二倍體馬鈴薯是一種自交不親和的作物，培育二倍體自交系首先要克服自交不親和。所謂自交不親和，一般是指，具有雌雄花蕊的花，其自身的花粉不能讓自己的雌蕊受精結(jié)實(shí)。

1998年，日本和美國科學(xué)家發(fā)布了一種可自交的野生馬鈴薯，并證實(shí)這是由某個(gè)基因控制的。此后，很多科學(xué)家想找到這個(gè)基因卻無功而返。

近日，《自然—通訊》在線發(fā)表了云師大和基因組所合作克隆的馬鈴薯自交親和基因Sli及其調(diào)控機(jī)制。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李天中告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“打破自交不親和性的技術(shù)瓶頸，多代自交獲得純合自交系，利用選擇的自交系育成的優(yōu)新品種雜交種子生產(chǎn)，一直是馬鈴薯育種家的工作目標(biāo)和努力方向。”

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授吳巨友在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，這項(xiàng)成果將在創(chuàng)制二倍體馬鈴薯自交系、豐富其雜交親本遺傳基礎(chǔ)中發(fā)揮重要作用，也將為其他配子體型自交不親和性物種，如梨、蘋果等的自交親和品種選育提供新途徑。

表型難鑒定基因難克隆

1998年，日本和美國科學(xué)家合作發(fā)布了一株自交親和的野生材料，并確定了這個(gè)材料的自交親和性狀受單個(gè)位點(diǎn)調(diào)控。

由于前人報(bào)道馬鈴薯1號染色體上的S位點(diǎn)調(diào)控了自交不親和過程，所以日本科學(xué)家推測該位點(diǎn)通過抑制S位點(diǎn)起作用，將其命名為Sli，可以理解為S位點(diǎn)抑制子。

“在馬鈴薯中，平均每條染色體上存在3000多個(gè)編碼基因。如果把基因組當(dāng)做一個(gè)寶藏，基因就相當(dāng)于里面的一顆寶石。發(fā)現(xiàn)基因，代表知道有這顆寶石的存在；把基因初步定位在某個(gè)染色體上類似于知道這顆寶石位于寶藏的哪一部分，但并不清楚具體位置；而成功地克隆這個(gè)基因則意味著準(zhǔn)確找到了這顆寶石。”此次發(fā)表于《自然—通訊》的論文共同通訊作者尚軼告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

國際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)室一直在嘗試克隆Sli基因。然而，鑒定自交是否親和首先需要進(jìn)行大量自交授粉工作，通過授粉后是否坐果進(jìn)行判斷。

尚軼介紹，植株坐果與否受到多種環(huán)境因素影響。如果自交不親和的植株授粉時(shí)發(fā)生了串粉，就會(huì)導(dǎo)致坐果。比如一陣風(fēng)把其他植株的花粉吹到柱頭上，或者授粉時(shí)鑷子沒有清理干凈，沾上了其他植株的花粉，都可以讓本身自交不親和的植株自花授粉后坐果。

而那些自交授粉后不坐果的，也有可能是溫度太低或者太高，或者花粉育性出了問題，而不是由于自交不親和。

“這就導(dǎo)致表型鑒定特別困難，且鑒定結(jié)果也不準(zhǔn)確，給Sli基因的克隆工作帶來了很大困難。”論文第一作者、云師大助理研究員馬玲介紹，不僅表型難鑒定，前人還認(rèn)為Sli基因與馬鈴薯的致死基因相連。所以當(dāng)Sli位點(diǎn)純合后，會(huì)導(dǎo)致后代致死，這讓他們無法得到Sli基因的純合體。

“由于馬鈴薯自交親和的表型易受外界環(huán)境干擾，該基因一直未被克隆。”黃三文說。

神奇的偏分離現(xiàn)象

在含有Sli位點(diǎn)的馬鈴薯植株自交后代中，會(huì)出現(xiàn)一種偏分離現(xiàn)象。論文共同第一作者、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心研究員張春芝解釋道，正常情況下雜合的基因型（A/a）自交后代中應(yīng)該出現(xiàn)A/A、A/a、a/a三種基因型，比例分別是1：2：1。而含有Sli基因的雜合個(gè)體自交后只出現(xiàn)Sli/Sli和Sli/sli兩種基因型，比例為1：1，找不到sli/sli基因型的個(gè)體。

“后代在12號染色體上出現(xiàn)了極端的偏分離比例。”張春芝說。

盡管前人也發(fā)現(xiàn)了這一偏分離現(xiàn)象，但他們認(rèn)為原因是Sli與致死基因連鎖，所以當(dāng)Sli位點(diǎn)純合后就會(huì)導(dǎo)致后代致死。

“然而，我們發(fā)現(xiàn)偏分離是受精造成的，即只有含Sli基因的花粉才能夠完成受精，因此后代中有Sli/Sli和Sli/sli基因型，沒有sli/sli個(gè)體。”張春芝說。

于是，含有Sli基因的雜合個(gè)體自交產(chǎn)生的后代全部含有Sli基因，都是自交親和的。“這樣我們就不用對后代再進(jìn)行繁瑣的親和表型鑒定，并利用這個(gè)特點(diǎn)擴(kuò)大我們的后代群體用于基因定位，群體越大對基因定位幫助越大。”尚軼說。

吳巨友告訴《中國科學(xué)報(bào)》，利用后代均為自交親和表型的特點(diǎn)，他們將遺傳群體擴(kuò)大至6624個(gè)植株，最終從花粉RNA中克隆了Sli基因。

“我們發(fā)現(xiàn)了配子體導(dǎo)致的自交不親和性，其后代均為自交親和表型，不用做表型鑒定，這樣就可以擴(kuò)大遺傳定位群體數(shù)量，因而快速克隆了Sli基因。”黃三文說。

一把“萬能鑰匙”

雖然找到了馬鈴薯自交親和基因，但它究竟是如何實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制的呢？

吳巨友向《中國科學(xué)報(bào)》解釋，植物自交不親和的遺傳位點(diǎn)稱為S位點(diǎn)，分別編碼雌蕊決定因子和花粉決定因子。

在分子水平上，馬鈴薯屬于配子體型自交不親和性作物，表現(xiàn)為花粉管在花柱中部停止生長，不能進(jìn)入子房完成受精。該系統(tǒng)中，雌蕊的決定因子是S-RNase蛋白，它是一種細(xì)胞毒性蛋白，僅在花柱中表達(dá)，并被分泌到花柱傳導(dǎo)組織中；而花粉的決定因子是位于S-locus上的SLF蛋白，它們在花粉中特異表達(dá)，不能識(shí)別自身的S-RNase，因此S-RNase的毒性作用存在，表現(xiàn)出自交不親和。

當(dāng)花粉管在花柱引導(dǎo)組織生長時(shí)，親和與不親和的S-RNase蛋白都可以進(jìn)入花粉管。親和的S-RNase在花粉胞質(zhì)中被花粉SLF蛋白識(shí)別并降解；而不親和的S-RNase被保留在胞質(zhì)中發(fā)揮其毒性作用，引起花粉管的細(xì)胞程序性死亡而停止生長。

“如果認(rèn)為S-RNase蛋白是雌蕊阻斷花粉管進(jìn)入的‘鎖’，那么SLF蛋白就是打開這把‘鎖’的‘鑰匙’。”吳巨友說，通常，一種SLF只能識(shí)別1~2種類型的S-RNase，類似于一把鑰匙開一把鎖，如果一把鑰匙能開多把鎖，就可以產(chǎn)生廣泛的自交親和。

尚軼告訴《中國科學(xué)報(bào)》，他們鑒定到的Sli蛋白不是S位點(diǎn)上的SLF蛋白，且能識(shí)別超過10種類型的S-RNase，從而打破自交不親和性，表現(xiàn)出“萬能鑰匙”的作用，可廣泛應(yīng)用于打破二倍體馬鈴薯的自交不親和性，對于培育馬鈴薯自交系有重要作用。

“馬鈴薯自交親和基因Sli的進(jìn)化有其特殊意義，但現(xiàn)在還未知。”黃三文說，目前也不清楚別的作物里是否也有類似的基因存在。

李天中說，該研究突破了馬鈴薯自交不親和性技術(shù)瓶頸，為自交系雜交育種提供了全新策略，是植物自交不親和性理論研究及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的成功范例。相較于傳統(tǒng)策略，該方法創(chuàng)制的自交親和馬鈴薯具有廣譜性強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢，為優(yōu)薯計(jì)劃提供了重要工具。

該研究也為遺傳背景高度雜合、雜交育種隨機(jī)性強(qiáng)、多種優(yōu)良性狀聚合難的其他自交不親和性園藝作物育種提供了借鑒和思路。

標(biāo)簽：新研究馬鈴薯自交不親和技術(shù) 自交系雜交育種