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杂合的等位基因,诱导小麦单倍体效率更高

2022/11/24 10:23:23  阅读:281 发布者:

纯系的获得是作物育种过程中的关键步骤。单倍体育种技术作为快速获得纯系的手段,能够大大缩短育种进程,提高效率。杂交诱导母本单倍体技术已成为现代作物育种的关键核心技术,然而,单倍体诱导基因的鉴定却是近三年的科研成果,可见其研究难度。

最近几年通过在玉米中解析出控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1ZmDMP,到后期利用发现的控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1ZmDMP在各物种的保守性,已经在水稻、小麦中也实现了高效率的单倍体诱导效果。此外值得注意的是,近期也已经实现了双子叶拟南芥单倍体的诱导。单倍体诱导基因的鉴定和保守性结合基因编辑技术的利用,将有望创建单双子叶作物单倍体快速育种新体系,在现代作物育种应用方面具有广阔前景!为此,我们公众号iPlants也进行了系统的总结,详细如下:【前沿】Nature/NP/NBT/MP7篇文章解析作物育种的关键-单倍体诱导的研究进展!

Nature Biotechnology杂志在线发表了来自全球农业科技巨头企业先正达(Syngenta)公司Timothy Kelliher团队等题为“Generation of paternal haploids in wheat by genome editing of the centromeric histone CENH3”的研究论文。该研究通过基因编辑技术编辑小麦的着丝粒组蛋白TaCENH3α,并通过筛选杂等位基因组合鉴定到小麦父本单倍体诱导系,其效率为7%,为CENH3 单倍体诱导技术在多种作物中的应用铺平道路。

1.背景介绍

长期以来,常规的系谱法、回交法、复合杂交和轮回选择等育种手段,已培育了许多作物能够适应各种生态环境的优良杂交种,但常规遗传改良一直存在育种周期长等缺点。而单倍体育种技术只需2代便可得到纯合的DHDoubled Haploid)系,极大缩短了育种周期,提高了育种效率。

在自然界中有些物种中会自然产生单倍体,一般发生频率很低。美国Northrup King种子公司于1950发现一个玉米高频单倍体诱导系,后命名为Stock6。研究表明Stock6作为父本诱导系可以诱导母本单倍体,诱导率为1-2%。之后经过玉米工作者对 Stock6进行了改良,获得了7-15%的诱导率,同时农艺性状较优良的单倍体诱导系。并且于20171月,Nature杂志上发表来自先正达公司Timothy Kelliher课题组的研究,克隆出单倍体诱导系Stock6控制单倍体诱导基因(基因命名为MTL,特异性在玉米精细胞中表达的磷脂酶)。

此外,单倍体诱导的另一个有前途的方法是CENTROMERIC HISTONE3CENH3)基因,参与着丝粒复合蛋白的募集和稳定。以往研究表明,通过突变该基因,在拟南芥中可以产生约30%的种内亲本单倍体诱导。然而虽然CENH3的功能在各个物种中保守存在,但是目前为止尚未在拟南芥之外诱导有效的单倍体诱导效应。

该研究在六倍体面包小麦中鉴定了CENH3的同源基因TaCenH3α和TaCenH3β,进一步检测发现TaCenH3α在子房和花粉中的表达高于TaCenH3β。因此,该研究设计两个单gRNAs位点靶向TaCenH3α三个等位基因:gRNA1靶向外显子1N末端结构域的起始,而gRNA2靶向内含子2 /外显子3剪接位点。

通过基因编辑进行TaCENH3α的三个等位基因进行突变,在702T0代植物中关注具有基因型(+/r-/r-/-):即-A具有一个野生型和一个RFSrestored frameshift)等位基因的杂合。-B具有1个敲除突变和1RFS等位基因的杂合子和纯合突变的-D。之后使上述关注的基因型生产各种T1植物,然后让T1自花授粉并以雌性与野生型品系03S0352-22杂交,以测试异交HIR

研究表明,'G23'基因型(+/r-/--/-)(上图c)通过自花传粉导致产生6.9%(9/131)单倍体,异源杂交后,父本的HIR7.0%(4/57),而'G24'基因型(+/r-/--/-)(见下表),此外,G24基因型(r/r-/--/-)诱导效率只有1.8%。而T1植物在A基因组中没有RFS等位基因,例如G18+/+ -/--/- )不诱导单倍体,说明位于CENH3α-ARFSr)等位基因可能触发HI,并且证实了TaCENH3α-ARFS等位基因的杂合(+ / r)组合加上-B-D两个拷贝的敲除突变导致高HIR

综上所述,这是第一个具有农作物商业潜力的父本HI系统。考虑到双子叶植物和单子叶植物中CENH3的保守性,从这项研究结果中可以增加了其他农作物成功的机会。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41587-020-0728-4

转自:iPlants”微信公众号

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