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玉米等植物核雄性不育基因研究综述

发布于:2019-02-03 08:56   来源:国科农研院

玉米作为最重要的作物之一,不仅是食品、饲料和工业原料的重要来源,而且也是解决遗传学问题的模式植物系统。雄性不育系是作物杂种优势利用和杂交制种的重要材料,主要包括细胞质雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)和细胞核雄性不育(Genic male sterility,GMS)。CMS是由线粒体基因和核基因共同控制的,虽然已应用于玉米育种和杂交种生产中,但存在不育系胞质单一、易感性强等问题。GMS是由核基因单独控制的,可以克服CMS的缺陷,但很难通过常规育种方法获得纯合不育系。玉米等植物GMS基因的克隆和功能机理研究,不仅加深了对植物雄性发育的分子调控机制的认识,而且促进了生物工程雄性不育系统(Biotechnology-based male-sterility system,BMS)的开发及其在作物杂交育种和制种中的应用。

2019年01月25日,《Cell 》子刊、国际著名学术期刊《 Molecular Plant 》(SCI影响因子: 9.326)在线发表了北京科技大学万向元团队撰写题为Maize GenicMale-sterility Genes and Their Applications in Hybrid Breeding:Progress andPerspectives的综述文章,系统地介绍了玉米和其它植物GMS基因与功能机理及其应用的研究进展,并展望了GMS基因和BMS系统在作物杂交育种和制种中的应用前景。

作者首先总结了17个玉米GMS基因与功能机理的研究进展,并深度分析了这些基因表达的上下游关系、相互作用、微共线性进化特性、以及在其它植物中的同源基因等。其次通过对玉米、拟南芥、水稻、小麦、大麦、油菜等植物GMS基因的比较基因组学和生物信息学分析,预测到62个玉米核雄性不育候选基因,并利用RNA-seq数据分析了这62个基因的表达模式和上下游关系,借助玉米基因组测序V4版本信息,将79个已克隆和预测的玉米不育及候选基因精准地锚定到玉米10条染色体上。然后,构建了玉米花药/花粉发育的遗传与生化调控网络。

此外,作者比较和评价了玉米和其它植物中10多种BMS系统的特征特性、优劣利弊、产业化应用情况等,并重点介绍了该团队开发的玉米多控不育技术(Multi-control sterility, MCS)体系[1,3],为玉米和其它作物GMS基因的育种和制种应用提供了重要参考。最后,对GMS基因和BMS系统的未来研究提出了建议和展望,以期进一步提升对植物雄花发育的分子调控网络的理解,促进杂种优势在玉米和其它作物中的应用。

北京科技大学生物与农业研究中心万向元教授为第一作者和通讯作者,吴锁伟博士为共同第一作者。相关研究得到了国家“万人计划”人才项目、国家转基因重大专项、国家科技支撑计划、国家国际科技合作专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、国家发改委生物育种专项和北京市科技计划的联合资助。

据悉,万向元团队近期在作物雄性不育生物学、分子设计育种与杂种优势利用等研究方向取得了一系列相关研究成果,近三年申请了玉米核不育基因、多控不育技术体系、通用型显性不育技术体系、玉米矮败技术体系、不育稳定性分析方法、不育基因共分离检测标记等相关国家发明专利19项,已授权国家发明专利6项,获得北京市新技术新产品证书4项,为该类研究成果的产业化应用奠定基础。

责任编辑:张瑶