陈化榜研究组在玉米Ga1单向杂交不亲和性研究中取得新进展

发布时间:2023.01.10     

  玉米单向杂交不亲和性(Maize unilateral cross-incompatibility, UCI)是一种合子前生殖隔离现象,控制花粉在不同类型玉米之间的传递,可用于玉米的无隔离生产。玉米UCI现象由单个位点控制,包含紧密连锁的花粉决定因子和花丝决定因子基因,其中花丝决定因子阻碍花粉为之授粉结实,而花粉决定因子能够突破花丝因子的阻碍。玉米的Ga1位点早在1902年就被发现控制玉米UCI现象,自然界中的玉米根据Ga1位点是否含有花粉或花丝因子基因/功能可分成Ga1-S (同时含有两个基因/功能)Ga1-M (只含有花粉因子基因/功能)ga1 (两者均不含有)类型。2018年,中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组利用Ga1-S类型玉米自交系SDGa25克隆了Ga1位点的花粉决定因子ZmGa1P基因,编码果胶甲酯酶(Pectin Methylesterases, PME)。然而,研究者始终无法将Ga1位点定位到较小的遗传区间,暗示Ga1位点基因组结构复杂;而且在已经公布的ga1基因组(B73Mo17W22)存在多个有结构变异的ZmGa1P相似性序列。因此,Ga1位点在Ga1-SGa1-M基因组是否存在多个不亲和基因?在不同基因型材料中序列如何?这些基因是否都有功能?仍不得而知。 

  JIPB近日在线发表了陈化榜研究组题“A single silk and multiple pollen-expressed PMEs at the Ga1 locus modulate maize unilateral cross-incompatibility”的研究论文(DOI:10.1111/jipb.13445)。该研究首先利用Ga1-S自交系SDGa25证明Ga1位点花丝决定因子ZmGa1F显性、单基因的遗传模式;通过图位克隆结合转录组测序得到了ZmGa1F基因,在Ga1-S基因型玉米自交系B4B6中敲除ZmGa1F基因,突变体因此失去了阻碍ga1花粉的功能。接着,根据ZmGa1P设计通用引物扩增SDGa25的花粉cDNA,得到7个与ZmGa1P高度相似且具有完整ORF (open reading frame)的基因(ZmGa1PLs, ZmGa1PL1-ZmGa1PL7),它们均分别具有独立为Ga1-S自交系授粉结实的功能。利用最近公布的玉米基因组数据分析发现,Ga1位点在Ga1-SGa1-Mga1之间完全没有共线性,但在相同基因型(Ga1-SGa1-M之间,或ga1之间)基因组之间共线性良好。虽然所有基因组均存在一系列ZmGa1PZmGa1F相似性序列,但这些序列在ga1基因组均没有完整的ORF,在Ga1-SGa1-M则分别具有8种编码ZmGa1PZmGa1PLs以及1ZmGa1F蛋白的序列,完全对应于在SDGa25自交系中克隆得到的花粉和花丝决定因子基因。结合遗传和基因组数据,研究者最终解析了Ga1位点的遗传结构变异。 


图:玉米Ga1位点单花丝和多花粉决定因子调控单向杂交不亲和性 

  陈化榜研究组近年来在玉米UCI研究方面取得一系列原创进展,先后克隆了Ga1位点的花粉决定因子基因(Zhang et al., Nat. Commun. 2018)Ga2位点的花粉和花丝决定因子基因(Chen et al., Nat. Commun. 2022)以及Tcb1位点的花粉决定因子基因(Zhang et al., Plant Biotechnol. J. 2022),并初步解析了其不亲和生理过程。本研究进一步证明Ga1位点单花丝决定因子和多花粉决定因子的基因组结构模式,也为Ga2Tcb1位点的研究奠定了基础。副研究员张照贵和博士生李凯为论文第一作者,陈化榜研究员为通讯作者。该课题得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。 

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