继Science后，严建兵课题组揭示玉米单向杂交不亲和的奥秘

玉米是我国种植面积最广的农作物之一，也是天然的异花授粉作物，异交率非常高。然而，在玉米中仍然存在着一种特殊单向杂交不亲和现象 (Unilateral cross incompatibility, UCI)，其中，以位于玉米 4 号染色体短臂上的 Ga1 位点所控制的杂交不亲和效应最大，大家最为关注。

2022 年 8 月 3 日，Nature Communications 在线发表了 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室 和 洪山实验室玉米团队 题为“Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize”的研究论文，该研究发现在 Ga1 位点包含三类，共 7 个决定玉米单向杂交不亲和表型的基因，提出了一个新的解释 UCI 成因的三基因遗传模型，该结果不仅对理解物种的生殖隔离这一重大基础科学问题有理论意义，也对作物的遗传改良尤其是杂交制种有应用价值。

由 Ga1 位点控制的 UCI 现象发生在马齿类玉米 (ga1) 以及爆裂玉米 (Ga1-S) 之间，表现为马齿类玉米不能作为父本向爆裂玉米的雌穗授粉，反交或二者的自交都可以正常授粉结实。除此之外，自然界中还存在一种广亲和型玉米 (Ga1-M), 不论作为父本或是母本，都可以和马齿类玉米及爆裂玉米正常杂交结实 (Goodman, M. M. et al., 2021)。玉米中的 UCI 现象早在 1902 年就被观察到 (Correns, C. 1902)，全世界多个实验室的研究人员努力多年试图解析 Ga1 位点的遗传机制。普遍认为在 Ga1 位点存在决定花粉与雌穗亲和性的雌、雄两种因子，也即双因子模型。2018 年中科院遗传与发育所陈化榜研究团队成功克隆了 Ga1 位点的雄性决定因子 ZmGa1P (Zhang, Z. G. et al., 2018)。然而，由于未知原因，Ga1 位点的定位区间大小始终保持在 2Mb 左右，无法进一步精细定位，深入解析该位点的遗传机制。

为解决这一难题，严建兵教授团队构建了以 SK (Ga1-S) 和 Zheng 58 (ga1) 为亲本的分离群体，并创造性地把后代基因型偏分离程度作为表型，简化了定位工作的难度，在 Ga1 定位区段内鉴定到了两个可以同时影响偏分离的区段 (Component1, Component2)。借助高质量组装的 SK (Yang, N. et al., 2019) 与 B73 (ga1) 基因组，研究人员从比较基因组学的角度出发，完整揭示了 Ga1 位点在 Ga1-S 与 ga1 基因组间的变异，比对结果显示在一段约 1.7Mb 的区间内，两个基因组之间几乎不存在序列的共线性，这也解释了之前多个课题组无法精细定位的原因。

利用转录组以及群体基因组重测序的数据，研究人员在目标区间内鉴定到三类共七个可能决定不亲和表型的基因，分别为五个在 Ga1-S 与 Ga1-M 花粉中高表达的果胶甲酯酶 (PME) 基因 (ZmGa1Ps-m)，一个只在 Ga1-S 花丝中表达完整转录本的  PME 基因 ZmPME3，以及一个在 ga1 与 Ga1-M 花丝中高表达而在 Ga1-S 完全缺失的基因 ZmPRP3。

通过转基因实验对每个基因的功能分别进行验证，结果表明，ZmPME3 对不携带 ZmGa1Ps-m 的花粉管具有强烈的抑制作用，却不会抑制携带 ZmGa1Ps-m 的花粉管的延伸。另外，在 ZmPME3 表达量相对较低时，ZmPRP3 可以帮助不携带 ZmGa1Ps-m 的花粉管打破 ZmPME3 的抑制作用。从遗传关系来看，三类基因之间理论上可以产生 8 种不同的基因型组合，但实际上，在现有的栽培玉米群体中只观察到了其中的三种，研究人员利用转基因技术创造出了另外三种不存在于自然界中的材料，并且经过杂交实验，总结出了所有雌，雄配子结合后的育性，其中，不携带 ZmGa1Ps-m 的花粉很难与携带 ZmPME3 并且不表达 ZmPRP3 的雌穗杂交结实，这一点在将来可以玉米制种的生物屏障提供理论依据。值得一提的是，虽然 ZmPME3 与 ZmRPR3 都在花丝中表达，然而，通过免疫组化以及差异表达分析，研究人员发现二者处在完全独立的调控途径上，这意味着多种分子机制参与了对 UCI 表型的调控，三类基因之间也许只存在遗传关系，而并不存在互作与上下游关系。

研究人员借助中国古代神话故事 《封神榜》 中的人物关系，形象地展示了三类基因之间的关系。哪吒代表 ZmGa1Ps-m，拥有最强的武力值，可以破除一切障碍。ZmPME3 的角色则是哼哈二将，阻止花粉管的前进。雷震子代表 ZmPRP3, 武力值不如哪吒，并非最高级的战神，但在 ZmPME3 表达量较低时 (比如哼哈二将只来了一个），也能够帮助花粉管突破障碍。

接下来，利用实验室拥有的大量野生玉米，农家种和现代栽培玉米的基因组数据， 研究人员推测了 Ga1 位点的演化路径。玉米的野生祖先种在 Ga1 位点可能存在两种完全不同的单倍型，一种被选择变成今天的普通玉米类型（ga1）；而另外一种单倍型丧失了 ZmPME3 基因的功能，成为广亲和玉米类型（Ga1-M）；或者丢失了 ZmPRP3 基因演变为今天的爆裂玉米类型（Ga1-S）。Ga1 位点为重新理解玉米的起源进化提供了不同的视角。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室 严建兵 教授为该论文通讯作者。华中农业大学博士研究生 王跃斌、博士后 李文强 为该论文的共同第一作者。德国雷根斯堡大学 Thomas Dresselhaus 教授、德国马普分子植物生理研究所 Alisdair R. Fernie 教授、美国农业部 Marilyn L. Warburton 博士、华中农业大学 肖英杰 教授、杨宁 教授、郭婷婷 教授、已毕业硕士研究生 王露茜 和 卢刚、博士研究生 严佳丽 和 许洁婷 以及博士后 陈庚申、桂松 涛等都参与了该项工作。该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。

转自：iPlants

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