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万向元教授团队在《Cell》旗舰子刊以封面发表两篇论文

揭示植物雄性不育新机理及其应用

单位(作者):化学与生物工程学院 | 来源: | 更新时间:2019-03-05 | 点击数:

3月4日,我校生物与农业研究中心、化生学院、融创院万向元教授团队在国际顶尖期刊《Cell》旗舰子刊《Molecular Plant》(SCI影响因子:9.326;植物科学类学术专刊排名第1)2019年第3期,以封面论文形式同期发表两篇论文ZmMs30 Encoding a Novel GDSL Lipase is Essential for Male Fertility and Valuable for Hybrid Breeding in Maize(2019, 12, 343-359)和Maize Genic Male-sterility Genes and Their Applications in Hybrid Breeding: Progress and Perspectives(2019, 12, 321-342),系统揭示了玉米等植物的雄性不育新机理及其应用,引发了国内外同行的广泛关注。

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图1:《Molecular Plant》2019年第3期封面图片

玉米是全球最重要的三大粮食作物之一,每年总产量约10亿吨,约占全球粮食总产量的30-35%。我国从2012年起玉米种植总面积和总产量均居所有农作物之首,是保障国家粮食安全的主力军。从2014年起,我国玉米种植总面积超过美国,位于世界第一。然而与美国玉米的单产(750公斤/亩)相比,我国玉米的单产差距甚远(约400公斤/亩),这为我国粮食安全和乡村振兴带来巨大压力。

玉米不仅是食品、饲料和工业原料的重要来源,而且也是解决遗传学问题的模式植物系统。雄性不育系是作物杂种优势利用和杂交制种的重要材料,主要包括细胞质雄性不育(CMS)和细胞核雄性不育(GMS)两种类型。我国著名科学家袁隆平院士利用水稻细胞质雄性不育系创建了“三系配套技术体系”,并成功地应用到杂交水稻育种和制种,大幅度提高了水稻产量,引发了第二次绿色革命,为世界粮食安全做出巨大贡献。但是该技术体系应用到玉米上,存在不育系细胞质单一易感病等问题,上世纪70年代曾给美国西北玉米带造成毁灭性打击,导致当年上亿亩玉米几乎绝收。细胞核雄性不育可以克服CMS的缺陷,具有巨大的应用潜力和价值,但很难通过常规育种方法获得大批量纯合不育母本种子,限制了其在玉米杂交育种和制种中的应用。然而,综合利用现代生物技术、基因工程、荧光智能机械分选等高科技手段,可以有效地突破这一技术瓶颈。美国杜邦先锋公司在2008年左右已获得成功,实现了细胞核雄性不育系在玉米生产上的应用,并结合利用其它优良基因,将玉米亩产提高到750公斤以上,几乎超过我国玉米平均亩产的2倍。

针对我国粮食安全重大需求和种子生产技术瓶颈,万向元团队近10年利用学校和企业“产、学、研、用”融合创新平台,坚持“需求牵引、突破瓶颈”原则,凝练科研攻关方向和研究内容,通过解决技术瓶颈背后的核心科学问题,促使基础研究成果走向应用。最近获得了一系列重要成果:已克隆和验证了一系列玉米核雄性不育基因,如ms1,ms7,ms20,ms25,ms30,ms33,ms34等,系统地研究了这些不育基因功能作用的分子遗传机理,评价了它们在培育高产玉米新品种中的应用价值,并建立起这些基因在玉米杂交育种和制种上应用的新方法和新体系,有望实现产业化推广应用,推动我国玉米产业技术创新,提高玉米产量。

刚刚发表的《Molecular Plant》封面研究论文,系统利用细胞、遗传、分子生物、生物化学、生物信息、基因工程、生物育种等前沿技术手段,深入解析了一个新的GDSL脂酶基因ZmMs30调控玉米雄花发育的作用机理,测试了其应用价值和途径,并建立了ZmMs30的多控不育(MCS)技术体系。MCS技术犹如我国古代神话传说中英雄后羿的弓箭,可以高效“射掉”所有含ZmMs30-MCS转基因元件的玉米花粉,保留ms30非转基因花粉,以创制非转基因玉米ms30雄性不育系,培育玉米高产新品种(图2)。同时,MCS技术可以用于玉米不育系及其保持系的繁殖,大大提高玉米杂交育种和制种效率及杂交种产量,为保障国家粮食安全提供技术支持。学校生物与农业研究中心安学丽、董振营、田有辉和谢科为该文共同第1作者,万向元为通讯作者。为推进ZmMs30基因的产业化应用,在该论文投稿之前,万向元团队已申请和获得授权4项国家发明专利CN 104946660B,CN 105039316B,ZL201810867572.8和ZL201811411986.6,分别保护ZmMs30基因功能、ZmMs30-MCS技术体系、ms30不育稳定性分析方法和ms30不育基因检测标记。

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图2:利用玉米ms30核不育系作为母本培育非转基因杂交种可以提高产量

此外,《Molecular Plant》同期刊出的综述论文系统地介绍了玉米和其它植物核不育基因克隆、功能解析及其应用的研究进展。通过对玉米、拟南芥、水稻、小麦、大麦、油菜等植物核不育基因的比较基因组学和生物信息学分析,预测到62个玉米核不育候选新基因,并精准地锚定到玉米10条染色体上,据此构建了玉米花药/花粉发育的遗传与生化调控网络(图3),比较评价了玉米和其它植物中10多种基于核不育基因的生物工程不育技术系统,为玉米和其它作物不育基因的理论研究和育种应用提供了重要参考和技术指导。万向元为该文第1作者和通讯作者,吴锁伟为共同第1作者。

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图3:玉米等植物核不育基因的功能分类、转录调控与花药脂质代谢网络

相关研究工作得到了国家“万人计划”人才项目、国家转基因重大专项、国家科技支撑计划、国家国际科技合作专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、国家发改委生物育种专项和北京市科技计划等的联合资助。

文章链接:

1. ,Xueli An#, Zhenying Dong#, Youhui Tian#, Ke Xie#, Suowei Wu, Taotao Zhu, Danfeng Zhang, Yan Zhou, Canfang Niu, Biao Ma, Quancan Hou, Jianxi Bao, Simiao Zhang, Ziwen Li, Yanbo Wang, Tingwei Yan, Xiaojing Sun, Yuwen Zhang, Jinping Li, Xiangyuan Wan*. ZmMs30 Encoding a Novel GDSL Lipase is Essential for Male Fertility and Valuable for Hybrid Breeding in Maize. Molecular Plant, 2019, 12, 343-359.

2. ,Xiangyuan Wan*, Suowei Wu#, Ziwen Li, Zhenying Dong, Xueli An, Biao Ma, Youhui Tian, Jinping Li. Maize Genic Male-sterility Genes and Their Applications in Hybrid Breeding: Progress and Perspectives. Molecular Plant, 2019,, 321-342.

(责编:杜嘉庆、邢华超)