科研人員首次建立番茄單倍體誘導(dǎo)系統(tǒng) 加快育種進(jìn)程

番茄是我國也是世界上最重要的蔬菜作物之一，全球年總產(chǎn)量近2億噸。目前在生產(chǎn)上使用的番茄品種主要是雜交種，因此親本純系的創(chuàng)制是其育種的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)方法獲得番茄純系一般需要多代自交，周期長、效率低，而單倍體育種只需通過單倍體生產(chǎn)和加倍兩個世代即可實現(xiàn)純系創(chuàng)制，大大加快了育種進(jìn)程，是純系快速創(chuàng)制的“高鐵”技術(shù)和選育優(yōu)良品種的加速器。

盡管科學(xué)家們一直試圖在番茄等雙子葉作物上建立單倍體快速育種技術(shù)體系，但迄今仍未取得突破。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授團(tuán)隊經(jīng)過長期研究，已建立起以誘導(dǎo)基因為基礎(chǔ)的玉米單倍體育種高效技術(shù)體系并成功大規(guī)模應(yīng)用于育種實踐。如將該技術(shù)拓展至尚無有效途徑獲得單倍體的番茄等作物，將有助于創(chuàng)建跨物種的通用單倍體快速育種技術(shù)。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)領(lǐng)銜的國內(nèi)外單倍體育種技術(shù)研究團(tuán)隊在植物領(lǐng)域知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上發(fā)表了“In vivo maternal haploid induction in tomato”的研究成果，首次建立了番茄單倍體誘導(dǎo)系統(tǒng)，為創(chuàng)建單雙子葉作物通用的跨物種單倍體快速育種技術(shù)體系奠定了基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊在克隆玉米單倍體關(guān)鍵誘導(dǎo)基因ZmDMP的基礎(chǔ)上，通過序列比對，發(fā)現(xiàn)ZmDMP在番茄中存在1個同源基因。實驗結(jié)果表明，敲除該基因后的番茄材料在產(chǎn)生敗育種子的同時，可以在雜交和自交后代中形成一定比例的母本單倍體，證明了番茄中SlDMP基因突變同樣具備獨立的單倍體誘導(dǎo)的能力。對雜交產(chǎn)生的單倍體進(jìn)行的高通量測序結(jié)果表明，這些單倍體均不攜帶來自父本的染色體組，這說明SlDMP突變體誘導(dǎo)產(chǎn)生的是純母本單倍體。

由于番茄種子小，單倍體鑒別較為困難，為克服這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊建立了熒光快速鑒別方法，通過浸種和萌發(fā)根尖熒光的兩步觀察，可實現(xiàn)番茄單倍體的精準(zhǔn)鑒別。借助于這一方法，以創(chuàng)制的番茄單倍體誘導(dǎo)系為父本，與36個材料雜交均能夠產(chǎn)生母本單倍體，誘導(dǎo)率變幅為0.5%— 3.7%，平均誘導(dǎo)率為1.9%，這表明以DMP-HI系統(tǒng)為基礎(chǔ)的番茄單倍體誘導(dǎo)體系無明顯的基因型依賴性，表現(xiàn)出很好的通用性。同時，由于番茄具有較好的繁殖性能，有助于單倍體加倍并實現(xiàn)較高通量的DH純系創(chuàng)制。

陳紹江指出，現(xiàn)有進(jìn)展為攻克番茄單倍體育種的國際性難題進(jìn)行了成功探索。通過番茄DMP基因單倍體誘導(dǎo)功能的驗證，首創(chuàng)了番茄單倍體誘導(dǎo)系及其配套的誘導(dǎo)鑒別技術(shù)，突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。研究結(jié)果不僅為番茄單倍體快速育種技術(shù)研發(fā)起到奠基性的引領(lǐng)作用，也為在更多作物上創(chuàng)建通用的跨物種單倍體育種技術(shù)體系及雜種優(yōu)勢利用效能的提升開辟新的路徑。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家玉米改良中心教授陳紹江、副教授劉晨旭和瓦赫寧根大學(xué)高級研究員Kim Boutilier為本文通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后鐘裕、瓦赫寧根大學(xué)博士后陳寶建、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王冬和中國農(nóng)科院基因組所朱曦鑒為論文共同第一作者，中國農(nóng)科院基因組所研究員黃三文、蔬菜花卉研究所博士張金喆參與了本研究工作。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、現(xiàn)代玉米產(chǎn)業(yè)體系、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“雙一流”專項和博士后科學(xué)基金的資助。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教授楊文才、沈火林等對本項研究提供了支持。(科技日報記者 馬愛平)