PBJ | 中国农大贺岩教授课题组发现调控玉米花粉数量关键特异基因ZmRPN1

花粉数量对于种子植物的繁殖成功至关重要，且在不同的物种和个体之间，花粉数量均存在广泛变异。玉米是少见的雌雄同株、异花、风媒传粉的栽培作物，具有强大的雄花序和极大的花粉数量。在玉米种质生产过程中，通常是一个父本行对应给多个母本行授粉，因此足够数量的花粉对于玉米的杂交制种尤为重要。然而，目前关于花药/花粉发育的相关研究大多基于突变体材料，花粉数量自然变异的遗传基础仍然知之甚少。

近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了中国农业大学农学院国家玉米改良中心贺岩教授团队的题为 “ZmRPN1 confers quantitative variation in pollen number and boosts hybrid seed production in maize” 的研究论文。该论文通过不同环境下全基因组关联分析，揭示了一个特异调控花粉数量基因ZmRPN1，研究发现ZmRPN1启动子区的序列变异可能在其对玉米花粉数量调控中起重要作用。

图1  ZmRPN1启动子区序列的遗传变异与玉米花粉数量的调控相关

ZmRPN1功能缺失突变导致花粉数量显著增加，表明该基因为一个花粉数量负调控因子。为了进一步探究ZmRPN1对玉米花粉数量的调控机制，作者对野生型和突变体玉米花药分别进行了PI染色实验以及半薄切片实验观察发现，与野生型花药相比，zmrpn1突变体的小孢子细胞数量显著增加，而相同时期的绒毡层细胞数量减少。这些结果表明，ZmRPN1可能以相反的方向调控生殖细胞和绒毡层细胞的数量。

图2  ZmRPN1负向调控玉米单花药中花粉数量

为达到提高杂交玉米制种产量的目的，需要在考虑父本散粉能力的基础上，适当增加母本比例。常用父母本比例为1∶4，比例的提升意味着母本植株数量的增加，同时也意味着产量的增加。考虑到zmrpn1突变体可以产生比野生型植株更多的花粉，作者调查了该突变体在杂交制种中的应用潜力。研究结果表明在相同父母本种植比例下，zmrpn1突变体作为父本时，杂交制种产量要显著高于野生型父本。

图3  ZmRPN1突变体可通过增加雌雄种植比例提高玉米制种产量

综上所述，该研究不仅拓展了我们对植物生殖生物学的理解，而且还为提升玉米杂交制种产量提供了一个重要的基因靶点。

该研究由中国农业大学农学院国家玉米改良中心贺岩教授团队完成。贺岩教授和罗金红博士为该论文的通讯作者，博士研究生郭婷和博士后姜露光为该论文的共同第一作者，已毕业博士生李波、已毕业硕士生姜欢和在读硕士生郑童馨参与了部分研究，中国农业大学杨小红教授提供了宝贵的研究材料。该研究得到国家重点研发项目(2021YFD1201003)资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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