纯系的创制是玉米育种的重要环节。在玉米商业化育种中，基于孤雌生殖单倍体诱导系的单倍体育种技术比常规育种更加快捷和高效，从而广泛应用于实际育种中。染色体加倍是单倍体育种技术的重要环节，然而，调节单倍体染色体加倍的潜在机制仍不清楚，这是优化单倍体育种技术的关键。
近日，中国农业大学联合北京市农林科学院在The Crop Journal在线发表了题为“Vitamin and zeatin treatments promote colchicine-induced haploid chromosome doubling in maize”的研究论文，作者通过分析秋水仙素与甲基胺草磷诱导的玉米单倍体化学加倍过程中的转录组与代谢组表达差异，揭示了维生素与玉米素在玉米单倍体化学加倍中的作用机制，并证明了维生素或玉米素处理在单倍体化学加倍中的促进作用。
研究者为确定APM和秋水仙素在染色体加倍中的最佳应用浓度，将郑58单倍体幼胚放置于含有不同浓度秋水仙素和甲基胺草磷（APM）的培养基中进行培养。结果表明，9.0 μmol L-1 APM和0.1 g L-1 的秋水仙素分别是其处理单倍体幼胚加倍的最佳浓度，加倍处理后散粉率分别达到68.18%和90.6%（图1）。分析其转录组和代谢组的变化，发现在对照和人工处理组的幼胚之间，分别鉴定了75种和60种差异表达代谢产物。与染色体加倍相关的大多数差异表达基因下调，其主要参与有丝分裂过程。差异表达基因和差异表达代谢物共表达分析均表明，与对照相比，甲基胺草磷和秋水仙碱处理中玉米素的生物合成、辅因子和维生素代谢途径均被显著富集（图2）。在平行实验中，将包括硫胺素、烟酸、维生素B6的组合或反式玉米素分别添加到秋水仙碱处理组中，散粉率分别提高了16.80%和3.11%，同时结实率和DH生产率均有不同程度的提升，结果证实了维生素或玉米素与秋水仙碱在单倍体染色体加倍中的协同作用（图3）。该研究结果为在转录组和代谢组水平上探索抗有丝分裂试剂作用下单倍体染色体加倍的分子机制和关键调控因素，以及提高染色体加倍效率的方法提供了新的途径。
作者和基金项目
北京市农林科学院助理研究员陈琛和中国农业大学已毕业硕士研究生张钰岭为该文共同第一作者，中国农业大学陈绍江教授和北京市农林科学院赵久然研究员、王元东研究员为共同通信作者，中国农业大学刘晨旭副教授和北京市农林科学院博士后李金龙也参与了相关工作。该研究得到国家科技创新2030-重大项目(2023ZD0403001)、国家现代农业产业技术体系建设专项(CAS-02)、北京市农林科学院优秀科学家培养计划(JKZX202202)、国家自然科学基金项目(32001554)、北京市农林科学院科技创新能力提升计划(KJCX20230103)和中国高校科学基金项目(2022TC141)的资助。
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