遗传发育所解析玉米单向杂交不亲和机理

　　玉米（Zea mays）是我国种植面积最大的作物之一，集粮、经、饲于一体，对我国粮食安全和经济发展具有重要作用。玉米是典型的异花授粉作物，天然异交率达95%以上。而自然界中存在一类玉米，可为其他种类玉米授粉结实，却不能接受其他不同种类的玉米授粉结实，这一现象称单向杂交不亲和（Unilateral cross-incompatibility，UCI）。目前，玉米中已有多个UCI位点被报道，其中Ga1、Ga2和Tcb1因其不亲和性最为彻底而广受关注。UCI1902年发现至今已有百余年历史，但由于其遗传规律的复杂性和UCI材料基因组背景的特殊性，研究进展颇为缓慢。与Ga1和Tcb1相比，Ga2位点发现较晚（1936年），其相关进展更少。

 

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组致力于玉米单向杂交不亲和的研究，并取得系列实质性进展（Zhang et al., 2012/Liu et al., 2014/Wang et al., 2018/Zhang et al., 2018）。近日，科研团队全面解析了Ga2位点的遗传规律，通过图位克隆获得了Ga2位点的雌、雄决定因子，并揭示了其单向杂交不亲和机理。这是玉米单向杂交不亲和领域首次同步克隆并全面报道UCI位点的雌、雄双因子，也是该团队继首次克隆获得Ga1位点雄性决定因子（Nature Communications, Zhang et al., 2018）后取得的又一重要进展。

 

　　研究发现Ga2位点不亲和是普通材料的花粉管在Ga2材料花丝中的延伸受阻所致；遗传学分析发现Ga2位点由控制花粉管伸长的雄性/花粉决定因子和控制花丝阻碍能力的雌性/花丝决定因子共同组成；大规模的群体遗传分析发现其雄性/花粉决定因子表现为配子体、单基因、显性遗传，雌性/花丝决定因子表现为孢子体、单基因、隐性遗传。鉴于Ga2材料基因组与普通材料基因组的共线性较低，同时Ga2位点所在基因组区段存在大量高度重复序列，前期图位克隆工作一度进展缓慢。针对这一难题，研究人员通过扩大分离群体规模保障进一步精细定位，并构建了Ga2材料的基因组BAC文库，通过筛选目的文库进行高通量测序获得了该区段的基因组序列；借助转录组数据的从头拼接，克隆到Ga2位点的雌、雄决定因子ZmGa2F和ZmGa2P，并利用遗传互补对其进行功能验证。

 

　　ZmGa2F和ZmGa2P均编码group I 果胶甲酯酶（Pectin Methylesterases，PME），研究进一步创制了Ga2位点近等基因系并对其进行免疫细胞学观察，发现不亲和组合中ga2花粉管顶端的甲酯化程度较亲和组合显著升高。酵母双杂交实验表明ZmGa2P和ZmGa2F不存在直接互作，但二者均与另一果胶甲酯酶ZmPME10-1高度互作，具体分子机制进一步研究中。

 

　　为了验证Ga2位点在玉米无隔离制种及生产中的应用价值，研究通过回交转育将Ga2位点导入我国种植面积最大的杂交种“郑单958”的双亲并通过杂交获得“Ga2型郑单958”。大面积示范种植结果表明，含有纯合Ga2位点的“郑单958”可规避其他普通玉米花粉的污染而保持其自身种子纯度。为最大限度降低中间型材料给单一Ga位点应用带来的风险，该团队克服了不同UCI位点间的生殖壁垒，实现了Ga2和Ga1位点的聚合，创制了双UCI位点聚合新材料，为玉米无隔离制种和生产奠定了基础。

 

　　4月14日，相关研究成果以A pair of non-Mendelian genes at Ga2 locus confer unilateral cross-incompatibility in maize为题，在线发表在《自然-通讯》（Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-29729-z）上。研究工作得到国家自然科学基金和中科院STS项目的支持。