番茄是我國(guó)也是世界上最重要的蔬菜作物之一,全球年總產(chǎn)量近2億噸。目前在生產(chǎn)上使用的番茄品種主要是雜交種,因此親本純系的創(chuàng)制是其育種的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)方法獲得番茄純系一般需要多代自交,周期長(zhǎng)、效率低,而單倍體育種只需通過(guò)單倍體生產(chǎn)和加倍兩個(gè)世代即可實(shí)現(xiàn)純系創(chuàng)制,大大加快了育種進(jìn)程,是純系快速創(chuàng)制的“高鐵”技術(shù)和選育優(yōu)良品種的加速器。
盡管科學(xué)家們一直試圖在番茄等雙子葉作物上建立單倍體快速育種技術(shù)體系,但迄今仍未取得突破。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究,已建立起以誘導(dǎo)基因?yàn)榛A(chǔ)的玉米單倍體育種高效技術(shù)體系并成功大規(guī)模應(yīng)用于育種實(shí)踐。如將該技術(shù)拓展至尚無(wú)有效途徑獲得單倍體的番茄等作物,將有助于創(chuàng)建跨物種的通用單倍體快速育種技術(shù)。
近日,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)內(nèi)外單倍體育種技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在植物領(lǐng)域知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上發(fā)表了“In vivo maternal haploid induction in tomato”的研究成果,首次建立了番茄單倍體誘導(dǎo)系統(tǒng),為創(chuàng)建單雙子葉作物通用的跨物種單倍體快速育種技術(shù)體系奠定了基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)在克隆玉米單倍體關(guān)鍵誘導(dǎo)基因ZmDMP的基礎(chǔ)上,通過(guò)序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)ZmDMP在番茄中存在1個(gè)同源基因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,敲除該基因后的番茄材料在產(chǎn)生敗育種子的同時(shí),可以在雜交和自交后代中形成一定比例的母本單倍體,證明了番茄中SlDMP基因突變同樣具備獨(dú)立的單倍體誘導(dǎo)的能力。對(duì)雜交產(chǎn)生的單倍體進(jìn)行的高通量測(cè)序結(jié)果表明,這些單倍體均不攜帶來(lái)自父本的染色體組,這說(shuō)明SlDMP突變體誘導(dǎo)產(chǎn)生的是純母本單倍體。
由于番茄種子小,單倍體鑒別較為困難,為克服這一技術(shù)瓶頸,研究團(tuán)隊(duì)建立了熒光快速鑒別方法,通過(guò)浸種和萌發(fā)根尖熒光的兩步觀察,可實(shí)現(xiàn)番茄單倍體的精準(zhǔn)鑒別。借助于這一方法,以創(chuàng)制的番茄單倍體誘導(dǎo)系為父本,與36個(gè)材料雜交均能夠產(chǎn)生母本單倍體,誘導(dǎo)率變幅為0.5%— 3.7%,平均誘導(dǎo)率為1.9%,這表明以DMP-HI系統(tǒng)為基礎(chǔ)的番茄單倍體誘導(dǎo)體系無(wú)明顯的基因型依賴性,表現(xiàn)出很好的通用性。同時(shí),由于番茄具有較好的繁殖性能,有助于單倍體加倍并實(shí)現(xiàn)較高通量的DH純系創(chuàng)制。
陳紹江指出,現(xiàn)有進(jìn)展為攻克番茄單倍體育種的國(guó)際性難題進(jìn)行了成功探索。通過(guò)番茄DMP基因單倍體誘導(dǎo)功能的驗(yàn)證,首創(chuàng)了番茄單倍體誘導(dǎo)系及其配套的誘導(dǎo)鑒別技術(shù),突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。研究結(jié)果不僅為番茄單倍體快速育種技術(shù)研發(fā)起到奠基性的引領(lǐng)作用,也為在更多作物上創(chuàng)建通用的跨物種單倍體育種技術(shù)體系及雜種優(yōu)勢(shì)利用效能的提升開(kāi)辟新的路徑。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家玉米改良中心教授陳紹江、副教授劉晨旭和瓦赫寧根大學(xué)高級(jí)研究員Kim Boutilier為本文通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后鐘裕、瓦赫寧根大學(xué)博士后陳寶建、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王冬和中國(guó)農(nóng)科院基因組所朱曦鑒為論文共同第一作者,中國(guó)農(nóng)科院基因組所研究員黃三文、蔬菜花卉研究所博士張金喆參與了本研究工作。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、現(xiàn)代玉米產(chǎn)業(yè)體系、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)“雙一流”專(zhuān)項(xiàng)和博士后科學(xué)基金的資助。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教授楊文才、沈火林等對(duì)本項(xiàng)研究提供了支持。(科技日?qǐng)?bào) 記者馬愛(ài)平)
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