中外科學家破解玉米單倍體誘導之謎——激烈競爭的背後故事

BioArt按：2017年1月23日，全球農業科技巨頭企業先正達（Syngenta）公司在Nature雜誌上報道了一個名為MATRILINEAL（MTL）的玉米花粉特異性磷脂酶基因，由於該基因能誘導玉米單倍體的產生且在其它作物中具有保守型，所以該基因的克隆有望在未來在更多的物種中進行單倍體育種，大大加快育種進程。

無獨有偶，2月4日來自中國的科學家團隊（中國農大的陳紹江教授、金危危教授及華中農大的嚴建兵教授團隊）聯合在Cell旗下的Molecular Plant雜誌上同樣報道了該基因，命名為ZMPLA1。從來重要的工作都面臨著激烈的競爭，中國科學家這篇文章背後的投稿故事也頗有意思，1月28號（正月初一）投稿，然後迅速修回之後1月31號（正月初四）接受，前後僅三天，到論文最終在線也就一周時間。當時學術期刊面臨重要論文出現的特殊情況時，雜誌編輯部往往可通過綠色通道特事特辦，加快審稿速度使論文迅速在線發表，例如，2013年Cell雜誌報道「克隆人類胚胎幹細胞首獲成功」（Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer）的那篇論文從投稿到接受只有3天時間，15天在線發表；2012年Cell Research雜誌報道的來自施一公教授實驗室的一篇題為「Crystal structure and biochemical analyses reveal Beclin 1 as a novel membrane binding protein」的論文從投稿到接受只有3天；2016年Cell Research雜誌報道的一篇題為「RANKL/RANK control Brca1 mutation-driven mammary tumors」的論文從投稿到接受只有4天，10天在線發表。

另據該文的通訊作者之一華中農大嚴建兵教授在新浪博客中透露，他是1月24號收到殷平老師（華中農業大學生命科學與技術學院教授，結構生物學家，顏寧與施一公教授實驗室博後）的一則截圖消息得知Nature剛剛發表了一篇有關玉米單倍體基因克隆的的文章，然後仔細閱讀之下發現Nature報道的基因和他所在的團隊完成了的一個項目中研究的基因是同一個，然後在當天晚上和兒子感慨一番之後於25日迅速完成論文構思並會同學生分工協作 ，26日進入瘋狂模式，27日（大年三十）凌晨拿出初稿，28日（正月初一）晚上給Molecular Plant雜誌投稿......嚴老師最後頗為感慨的寫道，「距離Nature發表不過2星期。這是我人生最快的一篇文章，應該不可能再超越。或許結果不再重要，但這個奮鬥的過程，讓我頗為感慨，了解其實人的潛力是無限的，包括我自己。這個過程也讓我看到了團隊的力量，感謝一起奮鬥的每個夥伴！......感謝這次競爭，儘管競爭中我們已經落後，但因為這種落後讓我看到了自己的潛力！看到了奮鬥的力量，也看到了 我們的未來！」。鑒於研究成果的重要性和中國科學家面臨激烈同行競爭的情形下所表現出的超凡能力，BioArt特別邀請了華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室的末日作物博士對中外科學家的相關成果進行了解讀，以饗讀者！

論文解讀：

撰文丨末日作物 博士（華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室）

圖片來自網路

玉米是世界上最重要、也是最早利用雜種優勢的作物之一。對於玉米雜交育種來說，選育自交系是其核心環節，常規育種獲得自交系需要6代以上，而DH育種（Doubled Haploid Breeding，國內習慣稱為單倍體育種）只需要2代，可大大縮短育種年限，因而具有重要意義。過去獲得單倍體的方法通常是花藥培養，後期再通過秋水仙素加倍獲得純系，但花藥培養過程較複雜，秋水仙鹼的毒性較大且加倍時間不好控制、加倍效率也不敢保證。近年來，以生物誘導為基礎的單倍體育種技術已逐步成為玉米育種的關鍵性技術。國外許多公司均已實現單倍體育種的規模化應用，該技術已成為可與轉基因技術，分子標記輔助育種技術相媲美的現代玉米育種三大核心技術之一。

單倍體（Haploid）指只具有配子染色體數目的細胞或個體。目前玉米單倍體育種普遍採用孤雌生殖誘導系誘導產生單倍體。單倍體植株一般比較弱小，且表現高度不育，只有加倍成2倍體才能恢復育性從而獲得種子，加倍後形成的系稱為DH系，DH系表現一致，可直接用於育種。自1959年美國遺傳學家E. H. Coe, Jr報道的Stock6（見下圖）作為父本誘導系可以誘導母本單倍體以來（誘導率僅為1-2%），但由於Stock6的一些缺點，諸如誘導率低，散粉性不好，自交結實性較差、保存種子困難；過去幾十年，由Stock6衍生的一系列誘導系已成為DH育種的最有效的方法，雖然也有一些關於誘導率定位研究的報道，但控制誘導率的基因仍不清楚。

1月23日，Nature雜誌在線發表了先正達公司克隆的一個控制玉米單倍體誘導基因（基因命名為MTL，基因編號為GRMZM2G471240，編碼一個在精細胞中特異表達的磷脂酶），並通過基因組測序、遺傳互補實驗及基因編輯技術等手段對基因功能進行了驗證。2月4日，中國科學家（中國農大的陳紹江教授、金危危教授及華中農大的嚴建兵教授團隊）聯合在Molecular Plant上同樣也報道了該誘導基因（基因命名為ZMPLA1）。通過兩個研究發現：與玉米B73參考基因組相比（B73為非誘導系），該誘導基因第四外顯子處發生的4bp插入（CGAG）所導致的20個氨基酸的移碼突變，是造成誘導系具有誘導單倍體的原因。並且中國科學家發現該4bp插入只存在於玉米誘導系中，在玉米祖先（大芻草）及玉米非誘導系中均檢測不到；兩個研究不同的是對基因功能的驗證，先正達公司使用的是互補實驗及TALEN基因編輯技術；而中國科學家使用的是CRISPER/Cas9基因編輯技術，隨後用T1代轉基因材料與國內知名玉米雜交種鄭單956和京科968雜交來測驗T1代轉基因材料的誘導率。

花粉特異性磷脂酶基因突變誘導的單倍體玉米（來源：先正達Nature）

花粉特異性磷脂酶基因突變誘導的單倍體玉米（來源：中農、華農完成的Molecular PLant）

鑒於該基因在作物中的保守性，因此也可在其他作物中通過修飾該基因實現DH育種。其它作物，如水稻中，還沒有利用單倍體誘導來進行育種的報道。該基因的克隆有望讓更多的作物進行單倍體育種，從而加快育種進程。

關於該基因的蛋白結構及更詳細的功能，期待該團隊後續的報道；另外，據了解，嚴建兵團隊及合作者還從單細胞測序水平對單倍體誘導機制進行了研究並取得一定進展，日後BioArt將繼續跟蹤報道。

通訊作者簡介：

陳紹江教授

陳紹江，男，中國農業大學農學院教授，中國農業大學國家玉米改良中心品質改良研究室負責人，全國高油玉米協作組組長。長期從事玉米育種和遺傳學教學工作，主持國家自然科學基金傾斜項目、博士後基金課題，九五國家公關、十五國家863高油玉米育種課題等，農業部科技跨越計劃高油玉米項目主要負責人。主選或參選玉米姐妹種和雜交種豫12、豫玉22、高油298、高油115、高油647、高油601、高油202和農大368等。其中豫玉22目前年推廣面積超過1000萬畝。高油298是農業部科技跨越計劃示範品種，高油647成為玉米界第一個國際技術產權轉讓品種。玉米姐妹種研究和利用獲省級一等獎。1999—2000獲聯合國遺傳工程中心資助從事分子生物學研究。2001年在國際上首次通過EMS花粉誘變獲得玉米高油突變體，為建立高油玉米種植快速創造技術體系提供了新途徑。目前主要從事特用玉米的育種與遺傳研究。

嚴建兵教授

嚴建兵，男，1976年生，現為華中農業大學生命科學技術學院教授、副院長，作物遺傳改良國家重點實驗室副主任，教育部「長江學者」，國家「傑青」。2003年在華中農業大學生命科學技術學院 遺傳學專業 獲博士學位，隨後到中國農業大學農學與生物技術學院和中國農業大學國家玉米改良中心工作任講師，2005年晉陞為副教授；2006-2008年 在國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）和康奈爾大學從事博士後研究；2008年被聘為CIMMYT副科學家（Associate Scientist），2009年被聘為科學家(Scientist)，主要從事玉米重要性狀的關聯分析和連鎖分析，在CIMMYT期間主持或者主要參加了多個國際重大項目；2010年獲日本國際青年農業科學家獎；2011年，獲杜邦青年教授獎；2011年起任華中農業大學生命科學技術學院教授。在Nature Genetics, Science, Nature Communications, PNAS, New Phytologist, Plos Genetics, Molecular Plant, Scientific Reports, Plos One, BMC plant biology, Molecular Breeding, Theoretical and Applied Genetics等主流期刊發表論文80餘篇，多次應邀在國際國內學術會議上做大會報告，為國內外近20家期刊的審稿人，並擔任期刊Theoretical and Applied Genetics , Molecular Breeding ,BMC Plant Biology和Journal of Integrative Plant Biology等雜誌編委。研究方向：玉米複雜數量性狀的遺傳解析(基於大規模的連鎖和關聯分析)；玉米基因組學和分子育種（基於高通量的標記技術和重測序技術和表型鑒定技術）。

金危危教授

金危危，男，1971年生，中國農業大學農學院教授，國家傑青，中國農業大學農學與生物技術學院副院長。1993年7月畢業於湖南農業大學，獲學士學位；2001年8月畢業於武漢大學，獲博士學位；2002年2月～2004月12月，美國威斯康星大學博士後（Research Associate)；2005年1月～2006年6月，美國威斯康星大學助理研究員(Assistant Scientist)；2006年7月～， 中國農業大學教授、博士生導師。近年來一直從事植物基因組學研究，主要包括：玉米等作物染色體著絲粒的結構和功能研究；玉米近緣種（薏苡、大芻草等）的基因組學研究；玉米單倍體誘導機理的研究；玉米減數分裂相關基因及其他重要功能基因的克隆； 其他植物分子細胞遺傳學研究。

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