2024年8月23日，中国水稻研究所王克剑团队与钱前院士团队、江西省农科院严松团队合作，在植物学知名期刊Plant Communications杂志在线发表了题为“Large-scale production of rice haploids by combining superior haploid inducer with PTGMS lines”的文章。该研究成功开发出诱导效率达12.4%的水稻单倍体诱导系，并将其应用于水稻两系不育系的培育中，实现了双单倍体技术（Doubled haploid technology）在水稻育种中的规模化应用。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101067
双单倍体技术能够在1~2代之间迅速产生遗传完全纯合的株系，相较于传统育种需要6-10个世代的自交或回交，大大缩短了育种时间。玉米是最成功应用双单倍体技术的作物之一，这主要得益于单倍体诱导系Stock6的发现。1959年首次报道了Stock6通过自交或作为父本进行杂交可以获得2-3%的母本单倍体，但由于诱导效率有限，Stock6并未广泛应用于玉米育种中。随后科学家们不断努力提高诱导系的效率至7-15％，极大地推动了玉米双单倍体技术的商业化应用。2017年解析出了玉米单倍体诱导系的主要遗传基础，发现其诱导能力由MTL基因（又名ZmPLA1或NLD）突变引起（Gilles et al., 2017; Kelliher et al., 2017; Liu et al., 2017）。该基因在谷物中高度保守，在水稻中敲除同源基因可以诱导产生单倍体，为双单倍体技术在水稻中应用提供了广阔的前景。然而目前获得的不同背景单倍体诱导系诱导效率均较低, 例如籼稻93-11为3.57%，籼稻明恢63为2.65%，粳稻日本晴为1.26%，杂交稻春优84为3.63%（Yao et al., 2018; Wang et al., 2019; Liu et al., 2024），限制了该技术在水稻育种中应用。
为创制水稻高效单倍体诱导系，该研究将前期创制的单倍体诱导系‘春优84Osmatl’与包括12个栽培品种、7个地方品种和1个野生稻在内的20个种质资源进行了杂交。在F2代中，通过基因型鉴定筛选出具有不同遗传背景的纯合Osmatl突变株系（剔除了外源成分），并采用单株传法繁殖后代，最终获得112个具有多样化遗传背景的单倍体诱导系（即Osmatl突变株系）。经过诱导率鉴定发现，大部分诱导系的单倍体诱导率较低，在0.7%至4.4%之间。令人兴奋的是，在‘春优84Osmatl’与地方品种‘菜园种’的10个杂交后代中，有4个株系单倍体诱导率达到了11.8~15.1%，且‘高效诱导’性状稳定遗传（图1）。又综合考察了主要农艺性状，从4个株系选择了1个株高偏高，结实率相对较高的株系，命名为HI285，用于后续应用研究。
图1 利用高效诱导系HI285规模化生产水稻PTGMS单倍体
双单倍体技术在水稻育种中的应用包括杂交诱导单倍体、筛选鉴别单倍体以及单倍体加倍等关键环节。由于水稻是自花授粉植物，在杂交诱导单倍体环节中，其‘自花’性状成为一个重要障碍，严重限制了双单倍体技术在水稻中的规模化应用。同时，培育两系不育系对于开发两系杂交稻新品种具有重要作用。为了快速培育新的两系不育系材料，根据两系不育系特点，在低温条件下进行不同两系不育系之间的杂交，获得杂合两系不育系；而在高温条件下，将高效单倍体诱导系HI285与杂合两系不育系进行杂交制种。通过实践验证，本研究成功获得大量发生不同重组的水稻两系不育系单倍体材料，这为双单倍体技术在水稻育种中规模化应用提供了一个成功的案例。
中国水稻研究所刘朝雷副研究员、江西省农科院严松研究员为论文共同第一作者，中国水稻研究所王克剑研究员和钱前院士为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院青年创新专项等项目的支持。
参考文献：
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Kelliher, T., Starr, D., Richbourg, L., Chintamanani, S., Delzer, B., Nuccio, M.L., Green, J., Chen, Z., McCuiston, J., Wang, W., et al. (2017). MATRILINEAL, a sperm-specific phospholipase, triggers maize haploid induction. Nature 542: 105-109.
Liu, C., Li, X., Meng, D., Zhong, Y., Chen, C., Dong, X., Xu, X., Chen, B., Li, W., Li, L., et al. (2017). A 4-bp insertion at ZmPLA1 encoding a putative phospholipase A generates haploid induction in maize. Mol. Plant. 10: 520-522.
Liu, Z., Zhong, Y., Qi, X., An, T., Guo, S., Wang, D., Wang, Y., Feng, B., Zhu, Z., Chen, S., et al. (2024). Haploids can be induced in knockout mutants of OsPLA1, but not OsDMP3 or OsDMP6, in rice. Crop J. 12: 213-221.
Wang, C., Liu, Q., Shen, Y., Hua, Y., Wang, J., Lin, J., Wu, M., Sun, T., Cheng, Z., Mercier, R., et al. (2019). Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes. Nat Biotechnol. 37: 283-286.
Yao, L., Zhang, Y., Liu, C., Liu, Y., Wang, Y., Liang, D., Liu, J., Sahoo, G., and Kelliher, T. (2018). OsMATL mutation induces haploid seed formation in indica rice. Nat. Plants 4: 530-533.
Mol Plant
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图文编辑：小邱同学
来源：MPlant植物科学
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