玉米作為*重要的作物之一,不僅是食品、飼料和工業原料的重要來源,而且也是解決遺傳學問題的模式植物系統。雄性不育系是作物雜種優勢利用和雜交制種的重要材料,主要包括細胞質雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)和細胞核雄性不育(Genic male sterility,GMS)。CMS是由線粒體基因和核基因共同控制的,雖然已應用于玉米育種和雜交種生產中,但存在不育系胞質單一、易感性強等問題。GMS是由核基因單獨控制的,可以克服CMS的缺陷,但很難通過常規育種方法獲得純合不育系。玉米等植物GMS基因的克隆和功能機理研究,不僅加深了對植物雄性發育的分子調控機制的認識,而且促進了生物工程雄性不育系統(Biotechnology-based male-sterility system,BMS)的開發及其在作物雜交育種和制種中的應用。
2019年01月25日,《Cell 》子刊、國際*學術期刊《 Molecular Plant 》(SCI影響因子: 9.326)在線發表了北京科技大學萬向元團隊撰寫題為Maize GenicMale-sterility Genes and Their Applications in Hybrid Breeding:Progress andPerspectives的綜述文章,系統地介紹了玉米和其它植物GMS基因與功能機理及其應用的研究進展,并展望了GMS基因和BMS系統在作物雜交育種和制種中的應用前景。
作者首先總結了17個玉米GMS基因與功能機理的研究進展,并深度分析了這些基因表達的上下游關系、相互作用、微共線性進化特性、以及在其它植物中的同源基因等。其次通過對玉米、擬南芥、水稻、小麥、大麥、油菜等植物GMS基因的比較基因組學和生物信息學分析,預測到62個玉米核雄性不育候選基因,并利用RNA-seq數據分析了這62個基因的表達模式和上下游關系,借助玉米基因組測序V4版本信息,將79個已克隆和預測的玉米不育及候選基因*地錨定到玉米10條染色體上。然后,構建了玉米花藥/花粉發育的遺傳與生化調控網絡。
此外,作者比較和評價了玉米和其它植物中10多種BMS系統的特征特性、優劣利弊、產業化應用情況等,并重點介紹了該團隊開發的玉米多控不育技術(Multi-control sterility, MCS)體系[1,3],為玉米和其它作物GMS基因的育種和制種應用提供了重要參考。*后,對GMS基因和BMS系統的未來研究提出了建議和展望,以期進一步提升對植物雄花發育的分子調控網絡的理解,促進雜種優勢在玉米和其它作物中的應用。
北京科技大學生物與農業研究中心萬向元教授為*作者和通訊作者,吳鎖偉博士為共同*作者。相關研究得到了國家“萬人計劃”人才項目、國家轉基因重大專項、國家科技支撐計劃、國家國際科技合作專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、國家發改委生物育種專項和北京市科技計劃的聯合資助。
據悉,萬向元團隊近期在作物雄性不育生物學、分子設計育種與雜種優勢利用等研究方向取得了一系列相關研究成果,近三年申請了玉米核不育基因、多控不育技術體系、通用型顯性不育技術體系、玉米矮敗技術體系、不育穩定性分析方法、不育基因共分離檢測標記等相關國家發明專利19項,已授權國家發明專利6項,獲得北京市新技術新產品證書4項,為該類研究成果的產業化應用奠定基礎。
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