玉米是我國種植面積最廣的農(nóng)作物之一，也是天然的異花授粉作物，異交率非常高。然而，在玉米中仍然存在著一種特殊單向雜交不親和現(xiàn)象 （Unilateral cross incompatibility, UCI），其中，以位于玉米4號染色體短臂上的Ga1位點所控制的雜交不親和效應(yīng)最大，大家最為關(guān)注。   　　8月3日，Nature Communications在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室和洪山實驗室玉米團隊題為“Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize”的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)在Ga1位點包含三類，共7個決定玉米單向雜交不親和表型的基因，提出了一個新的解釋UCI成因的三基因遺傳模型，該結(jié)果不但對理解物種的生殖隔離這一重大基礎(chǔ)科學問題有理論意義，也為作物的遺傳改良尤其是雜交制種有應(yīng)用價值。   　　由Ga1位點控制的UCI現(xiàn)象發(fā)生在馬齒類玉米 （ga1） 以及爆裂玉米 （Ga1-S）之間，表現(xiàn)為馬齒類玉米不能作為父本向爆裂玉米的雌穗授粉，反交或二者的自交都可以正常授粉結(jié)實。除此之外，自然界中還存在一種廣親和型玉米（Ga1-M）， 不論作為父本或是母本，都可以和馬齒類玉米及爆裂玉米正常雜交結(jié)實。玉米中的UCI現(xiàn)象早在1902年就被觀察到，全世界多個實驗室的研究人員努力多年試圖解析Ga1位點的遺傳機制。普遍認為在Ga1位點存在決定花粉與雌穗親和性的雌、雄兩種因子，也即雙因子模型。2018年中科院遺傳與發(fā)育所陳化榜研究團隊成功克隆了Ga1位點的雄性決定因子ZmGa1P（Zhang et al, Nat Commun, 2018）。然而，不知什么原因，Ga1位點的定位區(qū)間大小始終保持在2Mb左右，無法進一步精細定位，深入解析該位點。   　　為解決這一難題，嚴建兵教授團隊構(gòu)建了以SK （Ga1-S）和Zheng58 （ga1）為親本的分離群體，并創(chuàng)造性地把后代基因型偏分離程度作為表型，簡化了定位工作的難度，在Ga1定位區(qū)段內(nèi)鑒定到了兩個可以同時影響偏分離的區(qū)段 （Component1, Component2）。借助高質(zhì)量組裝的SK與B73 （ga1） 基因組，從比較基因組學的角度出發(fā)，完整揭示了Ga1位點在Ga1-S與ga1基因組間的變異，比對結(jié)果顯示在一段約1.7Mb的區(qū)間內(nèi)，二個基因組幾乎不存在序列的共線性，這也解釋了之前多個課題組無法精細定位的原因。   　　利用轉(zhuǎn)錄組以及群體基因組重測序的數(shù)據(jù)，研究人員在目標區(qū)間內(nèi)鑒定到三類共七個可能決定不親和表型的基因，分別為五個在Ga1-S與Ga1-M花粉中高表達的果膠甲酯酶 （PME） 基因 （ZmGa1Ps-m），一個只在Ga1-S花絲中表達完整轉(zhuǎn)錄本的PME基因ZmPME3，以及一個在ga1與Ga1-M花絲中高表達而在Ga1-S完全缺失的基因ZmPRP3。   　　利用轉(zhuǎn)基因?qū)嶒瀸γ總€基因的功能分別進行了驗證。結(jié)果表明，ZmPME3對不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管具有強烈的抑制作用，卻不會抑制攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管的延伸。另外，在ZmPME3表達量相對較低時，ZmPRP3可以幫助不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉管打破ZmPME3的抑制作用。從遺傳關(guān)系來看，三類基因之間理論上可以產(chǎn)生8種不同的基因型組合，但實際上，在現(xiàn)有的栽培玉米群體中只觀察到了其中的三種，通過轉(zhuǎn)基因方法，研究人員創(chuàng)造出了另外三種不存在于自然界中的材料，并且經(jīng)過雜交實驗，總結(jié)出了所有雌，雄配子結(jié)合后的育性，其中，不攜帶ZmGa1Ps-m的花粉很難與攜帶ZmPME3并且不表達ZmPRP3的雌穗雜交結(jié)實，這一點在將來可以成為制造玉米制種的生物屏障提供了理論依據(jù)。值得一提的是，雖然ZmPME3與ZmRPR3都在花絲中表達，然而，通過免疫組化以及差異表達分析，研究人員發(fā)現(xiàn)二者處在完全獨立的調(diào)控途徑上，這意味著多種分子機制參與了對UCI表型的調(diào)控，三類基因之間也許只存在遺傳關(guān)系，而并不存在互作與上下游關(guān)系。   　　研究人員借助中國古代神話故事《封神榜》中的人物關(guān)系，形象地展示了三類基因之間地關(guān)系。哪吒代表ZmGa1Ps-m，擁有最強的武力值，可以破除一切障礙。ZmPME3的角色則是哼哈二將，阻止花粉管的前進。雷震子代表ZmPRP3, 武力值不如哪吒，并非最高級的戰(zhàn)神，但在ZmPME3表達量較低時 （比如哼哈二將只來了一個），也能夠幫助花粉管突破障礙。   　　進一步，利用實驗室擁有的大量野生玉米，農(nóng)家種和現(xiàn)代栽培玉米的基因組數(shù)據(jù)， 推測了Ga1位點的演化路徑。玉米的野生祖先種在Ga1位點可能存在兩種完全不同的單倍型，一種被選擇變成今天的普通玉米類型（ga1）；而另外一種單倍型通過喪失PME3基因的功能，變成今天廣親和玉米類型（Ga1-M）；或者通過丟失ZmPRP3基因演變?yōu)榻裉斓谋延衩最愋停℅a1-S）。Ga1位點為重新理解玉米的起源進化提供了不同的視角。   　　華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室和洪山實驗室嚴建兵教授為該論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學博士研究生王躍斌、博士后李文強為該論文的共同第一作者。德國雷根斯堡大學Thomas Dresselhaus教授、德國馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美國農(nóng)業(yè)部Marilyn L. Warburton博士、華中農(nóng)業(yè)大學肖英杰教授、楊寧教授、郭婷婷教授、已畢業(yè)碩士研究生王露茜和盧剛、博士研究生嚴佳麗和許潔婷以及博士后陳庚申、桂松濤等都參與了該項工作。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金項目的資助。   　　原文鏈接：   　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-32180-9