【重大发现】中外科学家破解玉米单倍体诱导之谜——激烈竞争的背

发布时间:2017-10-31 07:44 来源:互联网 作者:admin 浏览次数:加载中

  的玉米花粉特异性磷脂酶基因,由于该基因能诱导玉米单倍体的产生且在作物中具有保守型,所以该基因的克隆有望在未来在更多的物种中进行单倍体育种,大大加快育种进程。

  无独有偶,2月4日来自中国的科学家团队(中国农大的陈绍江教授、金危危教授及华中农大的严建兵教授团队)联合在Cell旗下的Molecular Plant杂志上同样报道了该基因,命名为ZMPLA1。从来重要的工作都面临着激烈的竞争,中国科学家这篇文章背后的投稿故事也颇有意思,1月28号(正月初一)投稿,然后迅速修回之后1月31号(正月初四)接受,前后仅三天,到论文最终在线也就一周时间。当时学术期刊面临重要论文出现的特殊情况时,杂志编辑部往往可通过绿色通道特事特办,加快审稿速度使论文迅速在线年Cell杂志报道“克隆人类胚胎干细胞首获成功”(Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer)的那篇论文从投稿到接受只有3天时间,15天在线年Cell Research杂志报道的来自施一公教授实验室的一篇题为“Crystal structure and biochemical analyses reveal Beclin 1 as a novel membrane binding protein”的论文从投稿到接受只有3天;2016年Cell Research杂志报道的一篇题为“RANKL/RANK control Brca1 mutation-driven mammary tumors”的论文从投稿到接受只有4天,10天在线发表。

  另据该文的通讯作者之一华中农大严建兵教授在新浪博客中透露,他是1月24号收到殷平老师(华中农业大学生命科学与技术学院教授,结构生物学家,颜宁与施一公教授实验室博后)的一则截图消息得知Nature刚刚发表了一篇有关玉米单倍体基因克隆的的文章,然后仔细阅读之下发现Nature报道的基因和他所在的团队完成了的一个项目中研究的基因是同一个,然后在当天晚上和儿子感慨一番之后于25日迅速完成论文构思并会同学生分工协作 ,26日进入疯狂模式,27日(大年三十)凌晨拿出初稿,28日(正月初一)晚上给Molecular Plant杂志投稿......严老师最后颇为感慨的写道,“距离Nature发表不过2星期。这是我人生最快的一篇文章,应该不可能再超越。或许结果不再重要,但这个奋斗的过程,让我颇为感慨,了解其实人的潜力是无限的,包括我自己。这个过程也让我看到了团队的力量,感谢一起奋斗的每个伙伴!......感谢这次竞争,尽管竞争中我们已经落后,但因为这种落后让我看到了自己的潜力!看到了奋斗的力量,也看到了 我们的未来!”。鉴于研究成果的重要性和中国科学家面临激烈同行竞争的情形下所表现出的超凡能力,BioArt特别邀请了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室的末日作物博士对中外科学家的相关成果进行了解读,以飨读者!

  玉米是世界上最重要、也是最早利用优势的作物之一。对于玉米杂交育种来说,选育自交系是其核心环节,常规育种获得自交系需要6代以上,而DH育种(Doubled Haploid Breeding,国内习惯称为单倍体育种)只需要2代,可大大缩短育种年限,因而具有重要意义。过去获得单倍体的方法通常是花药培养,后期再通过秋水仙素加倍获得纯系,但花药培养过程较复杂,秋水仙碱的毒性较大且加倍时间不好控制、加倍效率也不敢保证。近年来,以生物诱导为基础的单倍体育种技术已逐步成为玉米育种的关键性技术。国外许多公司均已实现单倍体育种的规模化应用,该技术已成为可与转基因技术,分子标记辅助育种技术相媲美的现代玉米育种三大核心技术之一。

  单倍体(Haploid)指只具有配子染色体数目的细胞或个体。目前玉米单倍体育种普遍采用孤雌生殖诱导系诱导产生单倍体。单倍体植株一般比较弱小,且表现高度不育,只有加倍成2倍体才能恢复育性从而获得种子,加倍后形成的系称为DH系,DH系表现一致,可直接用于育种。自1959年美国遗传学家E. H. Coe, Jr报道的Stock6(见下图)作为父本诱导系可以诱导母本单倍体以来(诱导率仅为1-2%),但由于Stock6的一些缺点,诸如诱导率低,散粉性不好,自交结实性较差、保存种子困难;过去几十年,由Stock6衍生的一系列诱导系已成为DH育种的最有效的方法,虽然也有一些关于诱导率定位研究的报道,但控制诱导率的基因仍不清楚。

  1月23日,Nature杂志在线发表了先正达公司克隆的一个控制玉米单倍体诱导基因(基因命名为MTL,基因编号为GRMZM2G471240,编码一个在精细胞中特异表达的磷脂酶),并通过基因组测序、遗传互补实验及基因编辑技术等手段对基因功能进行了验证。2月4日,中国科学家(中国农大的陈绍江教授、金危危教授及华中农大的严建兵教授团队)联合在Molecular Plant上同样也报道了该诱导基因(基因命名为ZMPLA1)。通过两个研究发现:与玉米B73参考基因组相比(B73为非诱导系),该诱导基因第四外显子处发生的4bp插入(CGAG)所导致的20个氨基酸的移码突变,是造成诱导系具有诱导单倍体的原因。并且中国科学家发现该4bp插入只存在于玉米诱导系中,在玉米祖先(大刍草)及玉米非诱导系中均检测不到;两个研究不同的是对基因功能的验证,先正达公司使用的是互补实验及TALEN基因编辑技术;而中国科学家使用的是CRISPER/Cas9基因编辑技术,随后用T1代转基因材料与国内知名玉米杂交种郑单956和京科968杂交来测验T1代转基因材料的诱导率。

  花粉特异性磷脂酶基因突变诱导的单倍体玉米(来源:中农、华农完成的Molecular PLant)

  鉴于该基因在作物中的保守性,因此也可在其他作物中通过修饰该基因实现DH育种。作物,如水稻中,还没有利用单倍体诱导来进行育种的报道。该基因的克隆有望让更多的作物进行单倍体育种,从而加快育种进程。

  科研竞争异常激烈,Molecular Plant这篇文章从投稿到接收只用了4天时间(1月28日投稿,1月31日接收);在文中最后,作者也提到是在看到Nature发表之后匆忙投稿,并且严建兵教授在其新浪博客(种田农民:)中写到:“奋斗的人生最美丽...尽管竞争中我们已经落后,但因为这种落后让我看到了自己的潜力!看到了奋斗的力量,也看到了我们的未来!”

  关于该基因的蛋白结构及更详细的功能,期待该团队后续的报道;另外,据了解,严建兵团队及合作者还从单细胞测序水平对单倍体诱导机制进行了研究并取得一定进展,日后BioArt将继续跟踪报道。

  陈绍江,男,中国农业大学农学院教授,中国农业大学国家玉米改良中心品质改良研究室负责人,全国高油玉米协作组组长。长期从事玉米育种和遗传学教学工作,主持国家自然科学基金倾斜项目、博士后基金课题,九五国家公关、十五国家863高油玉米育种课题等,农业部科技跨越计划高油玉米项目主要负责人。主选或参选玉米姐妹种和杂交种豫12、豫玉22、高油298、高油115、高油647、高油601、高油202和农大368等。其中豫玉22目前年推广面积超过1000万亩。高油298是农业部科技跨越计划示范品种,高油647成为玉米界第一个国际技术产权转让品种。玉米姐妹种研究和利用获省级一等奖。1999—2000获联合国遗传工程中心资助从事分子生物学研究。2001年在国际上首次通过EMS花粉诱变获得玉米高油突变体,为建立高油玉米种植快速创造技术体系提供了新途径。目前主要从事特用玉米的育种与遗传研究。

  金危危,男,1971年生,中国农业大学农学院教授,国家杰青,中国农业大学农学与生物技术学院副院长。1993年7月毕业于湖南农业大学,获学士学位;2001年8月毕业于武汉大学,获博士学位;2002年2月~2004月12月,美国威斯康星大学博士后(Research Associate);2005年1月~2006年6月,美国威斯康星大学助理研究员(Assistant Scientist);2006年7月~, 中国农业大学教授、博士生导师。近年来一直从事植物基因组学研究,主要包括:玉米等作物染色体着丝粒的结构和功能研究;玉米近缘种(薏苡、大刍草等)的基因组学研究;玉米单倍体诱导机理的研究;玉米减数相关基因及其他重要功能基因的克隆; 其他植物分子细胞遗传学研究。

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