科学家利用基因突变加速植物育种过程

爱荷华州立大学的研究人员可能已经解决了与纯基因系加速发展相关的长期挑战。

使用“双单倍体”(DH)遗传学已成为支撑现代玉米育种的基础技术之一。然而，DH技术既有挑战，也有优势。首先，它需要创造仅携带单个母体基因组的“单倍体”植物。然后，单倍体植物的单个基因组通过化学过程加倍，加速遗传纯近交系的发展。

DH技术的主要瓶颈之一是单倍体雄花通常是不育的。这个问题需要将幼苗暴露于有毒的化学物质秋水仙碱中，这种化学物质会刺激基因组加倍并使雄花恢复生育能力。该过程是劳动和成本密集型的。

最近发表在《自然植物》上的研究分享了科学家发现的一种突变的消息，该突变可以在不使用秋水仙碱的情况下恢复单倍体的雄性生育能力。这项工作由农学研究科学家Siddique I. Aboobucker与Frey农学兼Raymond F. Baker植物育种中心主任Thomas Lübberstedt以及前农学研究生Liming Zhou进行。

他们证明，利用在植物繁殖阶段改变纺锤体机制定位的突变，称为减数分裂，可以恢复单倍体植物的雄性生育能力。

纺锤体机制有助于保持细胞分裂正常进行。在正常的减数分裂期间，在包含两组染色体的常规“二倍体”植物中，纺锤体垂直排列，易于排列。在单倍体植物中，染色体在细胞分裂过程中分布不均，导致下一阶段繁殖的高不育率。

为了解决这个问题，Aboobucker得到了一个团队认为值得研究的灵感。他们假设一组称为平行纺锤体突变体或“ps 突变体”的遗传植物异常在减数分裂期间将纺锤体更改为平行而不是垂直位置，可以提高单倍体的男性生育能力。他们在拟南芥(Arabidopsis thaliana)上测试了这一想法，拟南芥是一种模型研究植物，通常用作玉米和其他几种作物物种的前体。

它奏效了——单倍体突变植物生长，大多数都是可育的。结果支持他们的观点，即在单倍体雄性减数分裂的关键阶段纺锤体纤维的不等排列可以通过利用突变体导致更水平的纺锤体形成来克服。

“使用这种突变来克服单倍体植物中的雄性生育问题，有望克服目前用于人工(化学)基因组倍增方法以获得DH系的资源密集型协议，”Lübberstedt说。

他将大部分功劳归功于Aboobucker，他领导了这个项目，为这个长期存在的男性单倍体不育难题找到了解决方案。

“我开始意识到这是一件大事，”Aboobucker说。“自从我们的文章上个月发表以来，世界各地同事的反应有点压倒性。

Lübberstedt和Aboobucker认为，他们发现的有益突变可以通过一些修改应用于玉米和其他作物。探索这种潜力是他们即将推出的下一个项目之一。