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责编 | 奕樊
玉米是我国种植面积最广的农作物之一，也是天然的异花授粉作物，异交率非常高。然而，在玉米中仍然存在着一种特殊单向杂交不亲和现象 (Unilateral cross incompatibility, UCI)，其中，以位于玉米4号染色体短臂上的Ga1位点所控制的杂交不亲和效应最大，大家最为关注。
2022年8月3日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室严建兵教授团队在Nature Communications在线发表了题为“Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize”的研究论文。该研究发现在Ga1位点包含三类，共7个决定玉米单向杂交不亲和表型的基因，提出了一个新的解释UCI成因的三基因遗传模型，该结果不仅对理解物种的生殖隔离这一重大基础科学问题有理论意义，也对作物的遗传改良尤其是杂交制种有应用价值。
由Ga1位点控制的UCI现象发生在马齿类玉米 (ga1) 以及爆裂玉米 (Ga1-S)之间，表现为马齿类玉米不能作为父本向爆裂玉米的雌穗授粉，反交或二者的自交都可以正常授粉结实。除此之外，自然界中还存在一种广亲和型玉米(Ga1-M), 不论作为父本或是母本，都可以和马齿类玉米及爆裂玉米正常杂交结实(Goodman, M. M. et al., 2021)。玉米中的UCI现象早在1902年就被观察到 (Correns, C. 1902)，全世界多个实验室的研究人员努力多年试图解析Ga1位点的遗传机制。普遍认为在Ga1位点存在决定花粉与雌穗亲和性的雌、雄两种因子，也即双因子模型。2018年中科院遗传与发育所陈化榜研究团队成功克隆了Ga1位点的雄性决定因子ZmGa1P (Zhang, Z. G. et al., 2018)。然而，由于未知原因，Ga1位点的定位区间大小始终保持在2Mb左右，无法进一步精细定位，深入解析该位点的遗传机制。
为解决这一难题，严建兵教授团队构建了以SK (Ga1-S)和Zheng58 (ga1)为亲本的分离群体，并创造性地把后代基因型偏分离程度作为表型，简化了定位工作的难度，在Ga1定位区段内鉴定到了两个可以同时影响偏分离的区段 (Component1, Component2)。借助高质量组装的SK (Yang, N. et al., 2019)与B73 (ga1) 基因组，研究人员从比较基因组学的角度出发，完整揭示了Ga1位点在Ga1-S与ga1基因组间的变异，比对结果显示在一段约1.7Mb的区间内，两个基因组之间几乎不存在序列的共线性，这也解释了之前多个课题组无法精细定位的原因。
图1 Ga1位点的基因组序列与结构变异
利用转录组以及群体基因组重测序的数据，研究人员在目标区间内鉴定到三类共七个可能决定不亲和表型的基因，分别为五个在Ga1-S与Ga1-M花粉中高表达的果胶甲酯酶 (PME) 基因 (ZmGa1Ps-m)，一个只在Ga1-S花丝中表达完整转录本的PME基因ZmPME3，以及一个在ga1与Ga1-M花丝中高表达而在Ga1-S完全缺失的基因ZmPRP3。
通过转基因实验对每个基因的功能分别进行验证，结果表明，ZmPME3对不携带ZmGa1Ps-m的花粉管具有强烈的抑制作用，却不会抑制携带ZmGa1Ps-m的花粉管的延伸。另外，在ZmPME3表达量相对较低时，ZmPRP3可以帮助不携带ZmGa1Ps-m的花粉管打破ZmPME3的抑制作用。从遗传关系来看，三类基因之间理论上可以产生8种不同的基因型组合，但实际上，在现有的栽培玉米群体中只观察到了其中的三种，研究人员利用转基因技术创造出了另外三种不存在于自然界中的材料，并且经过杂交实验，总结出了所有雌，雄配子结合后的育性，其中，不携带ZmGa1Ps-m的花粉很难与携带ZmPME3并且不表达ZmPRP3的雌穗杂交结实，这一点在将来可以玉米制种的生物屏障提供理论依据。值得一提的是，虽然ZmPME3与ZmRPR3都在花丝中表达，然而，通过免疫组化以及差异表达分析，研究人员发现二者处在完全独立的调控途径上，这意味着多种分子机制参与了对UCI表型的调控，三类基因之间也许只存在遗传关系，而并不存在互作与上下游关系。
图2 Ga1位点的三因子遗传模型。研究人员借助中国古代神话故事《封神榜》中的人物关系，形象地展示了三类基因之间地关系。哪吒代表ZmGa1Ps-m，拥有最强的武力值，可以破除一切障碍。ZmPME3的角色则是哼哈二将，阻止花粉管的前进。雷震子代表ZmPRP3, 武力值不如哪吒，并非最高级的战神，但在ZmPME3表达量较低时 (比如哼哈二将只来了一个），也能够帮助花粉管突破障碍。
接下来，利用实验室拥有的大量野生玉米，农家种和现代栽培玉米的基因组数据， 研究人员推测了Ga1位点的演化路径。玉米的野生祖先种在Ga1位点可能存在两种完全不同的单倍型，一种被选择变成今天的普通玉米类型（ga1）；而另外一种单倍型丧失了ZmPME3基因的功能，成为广亲和玉米类型（Ga1-M）；或者丢失了ZmPRP3基因演变为今天的爆裂玉米类型（Ga1-S）。Ga1位点为重新理解玉米的起源进化提供了不同的视角。
华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室严建兵教授为该论文通讯作者。华中农业大学博士研究生王跃斌、博士后李文强为该论文的共同第一作者。德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授、德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美国农业部Marilyn L. Warburton博士、华中农业大学肖英杰教授、杨宁教授、郭婷婷教授、已毕业硕士研究生王露茜和卢刚、博士研究生严佳丽和许洁婷以及博士后陈庚申、桂松涛等都参与了该项工作。该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。
参考文献：
1. Zhang, H. et al. Genetic analysis and fine mapping of the Ga1-S gene region conferring cross-incompatibility in maize. Theor. Appl. Genet. 124, 459-465 (2012).
2. Jimenez, J. R. & Nelson, O. E. A new fourth chromosome gametophyte locus in maize. J. Hered. 56, 259-263 (1965).
3. Goodman, M. M. et al. “Maize cross incompatibility and the promiscuous Ga1‐m allele,” in Plant Breeding Reviews. vol. 44. Ed. Janick, J. (New York: Wiley), 31-55.
4. Zhang, Z. G. et al. A PECTIN METHYLESTERASE gene at the maize Ga1 locus confers male function in unilateral cross-incompatibility. Nat. Commun. 9, 3678 (2018).
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32180-9
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