Molecular Plant:研究揭示活性氧是单倍体诱导的核心因子

中国科学院遗传与发育生物学研究所李响团队与华中农业大学严建兵团队在Molecular Plant期刊合作发表了题为A reactive oxygen species burst causes haploid induction in maize的论文。研究发现，精细胞中的活性氧（ROS）增加是导致玉米单倍体诱导的关键因素，鉴定了一个全新的能诱导单倍体的基因ZmPOD65，发明了用ROS试剂处理花粉从而诱导单倍体的方法。该研究在单性生殖、单倍体诱导等基础生殖生物学领域做出原创性的认识，并为进一步提升作物育种效率的应用科学打下坚实基础。 

前人在1959年发现了可诱导产生单倍体的玉米突变体Stock6；使用stock6来源的改良家系作父本与杂交种F₁杂交，仅1代就可获得纯合的双单倍体后代，从而极大缩短育种周期，目前国内外企业均利用该技术进行玉米育种。解析玉米中单倍体是如何被天然诱导的这一关键科学问题，对于进一步提高育种效率并理解单性生殖基础生物学过程有重大意义。 

在当前研究中，科研人员通过对zmpla1和野生型花粉的转录组、蛋白组、蛋白修饰组、单核基因组、代谢组和脂质组分析，全面揭示了单倍体诱导过程：精细胞的ZmPLA1失活，导致周边卵磷脂积累，使线粒体发生紊乱导致ROS爆发，破坏精细胞的染色体，解析了染色体片段化发生的分子机制（图1）。过氧化物酶POD是细胞防御ROS的主要工具，科研人员将三核花粉期特异表达的过氧化物酶基因ZmPOD65进行CRISPR敲除后，后代发现了高至7.7%的诱导率，证明ZmPOD65是全新的单倍体诱导基因。该基因在双单子叶植物间更加保守，为各种作物全面改革育种技术提供了新思路。此外，科研人员还挑选了数种影响ROS水平的化学物质作为诱导剂，发明了用化学物质处理花粉以诱导单倍体的技术。 

该研究统一了ROS影响动植物生殖过程的机制。以往在人类中也已发现精细胞ROS爆发会导致男性不育，通过精细胞DNA片段化和降低精子的运动能力；而植物精子通过花粉管伸长来移动，所以能完成受精，但受精后精细胞来源的DNA也会持续降解，最终形成单倍体的胚（图2）。该理论为人类的生殖健康提供了有价值的信息，具有前瞻性的基础科学价值。 

研究工作得到华中农业大学、广东农业科学院、中科院分子植物科学卓越创新中心、德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所、以及美国冷泉港实验室等科研人员的支持。 

图1.单倍体诱导机制示意图