近日，作物遺傳改良國家重點實驗室和洪山實驗室嚴(yán)建兵教授團隊和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李響研究員團隊共同深入解析了玉米單倍體誘導(dǎo)關(guān)鍵基因ZmPLA1導(dǎo)致單倍體發(fā)生的分子機制，發(fā)現(xiàn)精細(xì)胞中的活性氧（ROS）增加是導(dǎo)致玉米單倍體誘導(dǎo)的關(guān)鍵因素，并鑒定了一個全新的誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的新基因ZmPOD65，發(fā)明了一項用化學(xué)試劑處理花粉從而誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的新方法。為單性生殖、單倍體誘導(dǎo)等基礎(chǔ)生殖生物學(xué)研究提供了新的認(rèn)識，也為提升作物育種效率提供了新的思路和方法。
科學(xué)家早在1959年就發(fā)現(xiàn)了可誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體的玉米突變體Stock6；使用stock6來源的改良家系作父本與雜交種F1雜交，僅1代就可獲得純合的雙單倍體后代，從而極大縮短育種周期，目前國內(nèi)外種子公司和育種單位都在廣泛利用該技術(shù)，是玉米遺傳育種領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。解析“玉米中單倍體是如何被誘導(dǎo)的？”這一困擾植物學(xué)家60年的關(guān)鍵科學(xué)問題，對于進一步提高育種效率并理解單性生殖這一基礎(chǔ)生物學(xué)過程有重大意義。
早在2017年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團隊與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江團隊、金危危團隊合作克隆了導(dǎo)致單倍體誘導(dǎo)的主效基因ZmPLA1（10.1016/j.molp.2017.01.011），該基因編碼一個精細(xì)胞特異表達(dá)磷脂酶A蛋白。但一個調(diào)控脂質(zhì)平衡的蛋白突變?nèi)绾螌?dǎo)致了單倍體的誘導(dǎo)，是困擾團隊多年的疑問。通過開發(fā)單細(xì)胞核基因組測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)系的精細(xì)胞中存在高比例的染色體片段化，提出精細(xì)胞片段化是zmpla1誘導(dǎo)單倍體產(chǎn)生的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)觀點（10.1038/s41467-017-00969-8）。在那之后，研究團隊以“一個磷脂酶A蛋白突變?nèi)绾螌?dǎo)致了精細(xì)胞的染色體片段化？”為研究方向。
在科學(xué)研究過程中，團隊成員通過對zmpla1和野生型花粉的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、蛋白修飾組、單核基因組、代謝組和脂質(zhì)組等**分析，揭示了單倍體誘導(dǎo)發(fā)生過程是精細(xì)胞的ZmPLA1失活，導(dǎo)致周邊卵磷脂積累，使線粒體發(fā)生紊亂導(dǎo)致活性氧爆發(fā)，破壞精細(xì)胞染色體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致染色體片段化，從而導(dǎo)致單倍體誘導(dǎo)發(fā)生。
基于對單倍體誘導(dǎo)過程的發(fā)現(xiàn)，研究團隊推測導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生的相關(guān)基因，理論上也可以誘導(dǎo)單倍體的發(fā)生。過氧化物酶POD是細(xì)胞防御活性氧的主要工具，科研人員將三核花粉期特異表達(dá)的過氧化物酶基因ZmPOD65進行基因編輯后，后代發(fā)現(xiàn)了高至7.7%的單倍體誘導(dǎo)率，證明了該理論推測，同時也發(fā)現(xiàn)了一個單倍體誘導(dǎo)新基因。該基因在雙單子葉植物間更加保守，為在其它作物上發(fā)展單倍體誘導(dǎo)技術(shù)提供了基因資源。進一步，研究團隊認(rèn)為，導(dǎo)致活性氧水平變化的化學(xué)物質(zhì)也應(yīng)該可以導(dǎo)致單倍體的發(fā)生，通過多輪測試，*后找到了能直接誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的特定化學(xué)誘導(dǎo)劑，發(fā)明了一套利用特定化學(xué)物質(zhì)處理花粉以誘導(dǎo)單倍體發(fā)生的技術(shù)。目前該技術(shù)已經(jīng)獲批**，并實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化。
科研人員注意到，在人類研究中也發(fā)現(xiàn)精細(xì)胞活性氧爆發(fā)會導(dǎo)致精細(xì)胞DNA片段化和降低精子的運動能力，從而導(dǎo)致男性不育；在植物中也可以發(fā)生類似現(xiàn)象，但植物精子可以通過花粉管伸長來移動，所以能完成受精??但受精后精細(xì)胞來源的DNA會持續(xù)降解，*終形成單倍體的胚（圖2）。活性氧能同時影響動植物生殖發(fā)育過程，進一步深入的研究可以為人類的生殖健康和植物的生長發(fā)育研究提供有價值的信息。
