四川农大荣廷昭院士、唐祈林教授在玉米、大刍草和摩擦禾的多物种杂交与多倍体化、染色体洗牌和基因组提取取得重要进展

四川农业大学荣廷昭院士和唐祈林教授团队在遗传学经典期刊GENETICS发表“Multi-species polyploidization, chromosome shuffling, and genome extraction in Zea/Tripsacum hybrids”研究论文。

该研究历经近20年攻关，团队利用玉米、四倍体多年生大刍草和摩擦禾为材料，通过杂交、多倍化与细胞工程等技术方法，借助染色体组洗牌、抽提的办法，创制玉米-四倍体多年生大刍草异源四倍体材料及其利用取得了重要突破。研究策略分为四阶段：第一阶段，以玉米（Maize, 2n=20, 简写M）、四倍体多年生大刍草(Z. perennis, 2n=40, 简写P)和摩擦禾(Tripsacum, 2n=72, 简写T)为材料，通过远缘杂交与多倍化策略，创制出了玉米-四倍体多年生大刍草-摩擦禾异源六倍体(2n=74, 简写MTP)，将其命名为MTP74。第二阶段，建立MTP74与玉米回交和自交的材料合成技术体系，MTP74作为母本与玉米杂交，后代通过回交与多代自交合成遗传组成稳定的四倍体多年生大刍草-玉米的异源四倍体材料, 命名为MP40，MP40染色体为2n=40，染色体构成为26条玉米染色体和14条四倍体多年生大刍草染色体；植株表现无分蘖，形似玉米，雌雄协调，育性高，结实性好、生育力强。第三阶段，用四倍体多年生大刍草-玉米的异源四倍体改良同源四倍体玉米的染色体工程研究，将四倍体多年生大刍草-玉米的异源四倍体与同源四倍体玉米自交系P1-vv和TWF9杂交，然后进行三代自交，发现F1-F3群体与比同源四倍体玉米结实率和花粉活力显著提高，减数分裂二倍化程度逐步提升，抽雄期、散粉期和吐丝期相对协调，播种后生长速度快于普通栽培玉米；第四阶段，四倍体玉米的遗传改良与育种应用。

Figure 1. Phenotypic manifestation of parents and sequentially derived nascent near-allotetraploids (NsAt) by subgenomes extraction

注：a, b, c和d图分别表示玉米、四倍体多年生大刍草、摩擦禾和异源六倍体MTP的植株和种子；e, f, g和h分别表示MTP与玉米回交一代的植株表型多样性；i图表示MTP与玉米回交一代的果穗；j, k, l, m, n和o图分别表示抽提异源四倍体玉米S1-S6代的果穗；p表示抽提异源四倍体玉米S6代植株；q和r图分别表示利用抽提异源四倍体改良同源四倍体的植株和果穗性状。

这项研究工作证明，利用多物种杂交与多倍化和染色体组洗牌与抽提的方法，能合成遗传稳定的玉米-四倍体多年生大刍草异源多倍体新材料，利用其改良同源四倍体玉米的繁殖特性和配制杂种利用杂种优势也得到了理想的结果，为通过细胞工程抽提合成异源多倍体、多倍体遗传育种等研究提供了材料和思路。此外，合成的玉米-四倍体多年生大刍草异源四倍体材料拥有广阔遗传资源基础，也是常规玉米遗传育种改良的重要素材。

Figure 2. A workable route to synthesize new allopolyploid materials, broaden germplasm resources, and improve polyploid maize or maize inbreds.

参考文献

Muhammad Zafar Iqbal, Xiaodong Wen, Lulu Xu, et al. Multi-species polyploidization, chromosome shuffling, and genome extraction in Zea/Tripsacum hybrids, Genetics, 2023; iyad029, https://doi.org/10.1093/genetics/iyad029.

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