杂合的等位基因，诱导小麦单倍体效率更高

纯系的获得是作物育种过程中的关键步骤。单倍体育种技术作为快速获得纯系的手段，能够大大缩短育种进程，提高效率。杂交诱导母本单倍体技术已成为现代作物育种的关键核心技术，然而，单倍体诱导基因的鉴定却是近三年的科研成果，可见其研究难度。

最近几年通过在玉米中解析出控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1和ZmDMP，到后期利用发现的控制玉米单倍体诱导基因MTL/ZMPLA1和ZmDMP在各物种的保守性，已经在水稻、小麦中也实现了高效率的单倍体诱导效果。此外值得注意的是，近期也已经实现了双子叶拟南芥单倍体的诱导。单倍体诱导基因的鉴定和保守性结合基因编辑技术的利用，将有望创建单双子叶作物单倍体快速育种新体系，在现代作物育种应用方面具有广阔前景！为此，我们公众号iPlants也进行了系统的总结，详细如下：【前沿】Nature/NP/NBT/MP等7篇文章解析作物育种的关键-单倍体诱导的研究进展！

Nature Biotechnology杂志在线发表了来自全球农业科技巨头企业先正达（Syngenta）公司Timothy Kelliher团队等题为“Generation of paternal haploids in wheat by genome editing of the centromeric histone CENH3”的研究论文。该研究通过基因编辑技术编辑小麦的着丝粒组蛋白TaCENH3α，并通过筛选杂等位基因组合鉴定到小麦父本单倍体诱导系，其效率为7%，为CENH3 单倍体诱导技术在多种作物中的应用铺平道路。

1.背景介绍

长期以来，常规的系谱法、回交法、复合杂交和轮回选择等育种手段，已培育了许多作物能够适应各种生态环境的优良杂交种，但常规遗传改良一直存在育种周期长等缺点。而单倍体育种技术只需2代便可得到纯合的DH（Doubled Haploid）系，极大缩短了育种周期，提高了育种效率。

在自然界中有些物种中会自然产生单倍体，一般发生频率很低。美国Northrup King种子公司于1950发现一个玉米高频单倍体诱导系，后命名为Stock6。研究表明Stock6作为父本诱导系可以诱导母本单倍体，诱导率为1-2%。之后经过玉米工作者对 Stock6进行了改良，获得了7-15%的诱导率，同时农艺性状较优良的单倍体诱导系。并且于2017年1月，Nature杂志上发表来自先正达公司Timothy Kelliher课题组的研究，克隆出单倍体诱导系Stock6控制单倍体诱导基因（基因命名为MTL，特异性在玉米精细胞中表达的磷脂酶）。

此外，单倍体诱导的另一个有前途的方法是CENTROMERIC HISTONE3（CENH3）基因，参与着丝粒复合蛋白的募集和稳定。以往研究表明，通过突变该基因，在拟南芥中可以产生约30％的种内亲本单倍体诱导。然而虽然CENH3的功能在各个物种中保守存在，但是目前为止尚未在拟南芥之外诱导有效的单倍体诱导效应。

该研究在六倍体面包小麦中鉴定了CENH3的同源基因TaCenH3α和TaCenH3β，进一步检测发现TaCenH3α在子房和花粉中的表达高于TaCenH3β。因此，该研究设计两个单gRNAs位点靶向TaCenH3α三个等位基因：gRNA1靶向外显子1中N末端结构域的起始，而gRNA2靶向内含子2 /外显子3剪接位点。

通过基因编辑进行TaCENH3α的三个等位基因进行突变，在702个T0代植物中关注具有基因型（+/r， -/r，-/-）：即-A具有一个野生型和一个RFS（restored frameshift）等位基因的杂合。-B具有1个敲除突变和1个RFS等位基因的杂合子和纯合突变的-D。之后使上述关注的基因型生产各种T1植物，然后让T1自花授粉并以雌性与野生型品系03S0352-22杂交，以测试异交HIR。

研究表明，'G23'基因型（+/r，-/-，-/-）（上图c）通过自花传粉导致产生6.9％（9/131）单倍体，异源杂交后，父本的HIR为7.0％（4/57），而'G24'基因型（+/r，-/-，-/-）（见下表），此外，G24基因型（r/r，-/-，-/-）诱导效率只有1.8%。而T1植物在A基因组中没有RFS等位基因，例如G18（+/+ ，-/-，-/- ）不诱导单倍体，说明位于CENH3α-A的RFS（r）等位基因可能触发HI，并且证实了TaCENH3α-A的RFS等位基因的杂合（+ / r）组合加上-B和-D两个拷贝的敲除突变导致高HIR。