無核是柑橘、葡萄、西瓜等果蔬園藝作物育種的重要目標(biāo)。柑橘是世界第一大水果，無核果實(shí)備受鮮食市場青睞。但無核性狀形成的分子機(jī)理尚不明晰，制約了無核新品種高效培育。芽變由穩(wěn)定的體細(xì)胞突變引起，是柑橘等多年生果樹的重要育種手段。無核芽變在柑橘中常有發(fā)生，如“黔陽無核”椪柑、“華柑4號(hào)”椪柑等。揭示柑橘無核突變的成因，有助于理解無核性狀形成的遺傳基礎(chǔ)，對加速柑橘無核分子育種具有重要意義。
近日，JIPB在線發(fā)表了我校園藝林學(xué)學(xué)院、果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室郭文武教授/伍小萌教授團(tuán)隊(duì)題為“Somatic variations in the meiosis-specific gene CrMER3 confer seedlessness in a citrus bud sport”的研究論文，該研究揭示了減數(shù)分裂基因CrMER3自然突變導(dǎo)致無核椪柑雌雄不育和果實(shí)無核的分子機(jī)理，為柑橘無核育種提供了重要基因資源及分子標(biāo)記輔助策略，對果實(shí)無核遺傳改良具有重要意義。
該研究以有核椪柑品種（EG）為對照，發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞突變品種無核椪柑（QS）花器官形態(tài)正常，但成熟花粉無活力，果實(shí)無核；用有活力的EG花粉對QS授粉后果實(shí)仍無核，表明QS雌雄均不育。為確定QS雌雄不育原因，首先觀察減數(shù)分裂產(chǎn)物四分體，發(fā)現(xiàn)QS中出現(xiàn)大量異常多分體（81.67%）（圖1J）；進(jìn)而觀察減數(shù)分裂不同階段染色體行為，發(fā)現(xiàn)QS從終變期開始發(fā)生異常，染色體交叉（CO）數(shù)量顯著減少，產(chǎn)生大量單價(jià)體，隨后出現(xiàn)不均等分離、落后染色體等異?，F(xiàn)象。以上結(jié)果表明，減數(shù)分裂異常是QS雌雄不育的原因。
為探究QS無核變異位點(diǎn)，利用Pacbio結(jié)合Illumina測序數(shù)據(jù)，組裝了EG和QS基因組，重點(diǎn)篩選與QS減數(shù)分裂異常表型類似的基因變異。發(fā)現(xiàn)QS的CrMER3基因區(qū)特異存在1個(gè)103 bp缺失。Sanger測序表明EG存在2個(gè)CrMER3等位基因CrMER3A和CrMER3a；與CrMER3A相比，CrMER3a由于編碼區(qū)單堿基T缺失而提前終止，產(chǎn)生截短型蛋白。而QS中CrMER3A基因區(qū)段內(nèi)發(fā)生103 bp缺失導(dǎo)致蛋白編碼提前終止，將其命名為CrMER3A-103 bp。QS中2個(gè)等位基因CrMER3a和CrMER3A-103 bp均無法編碼功能性CrMER3蛋白。研究人員通過CrMER3和CrREC8雙免疫熒光定位證明QS中CrMER3功能完全缺失。
為驗(yàn)證CrMER3基因功能，對短童期柑橘模式植物山金柑（F. hindsii）MER3基因進(jìn)行編輯，獲得的純合編輯植株表型均與QS一致，表現(xiàn)為花器官發(fā)育正常，花粉無育性，減數(shù)分裂紊亂，產(chǎn)生異常四分體。在柑橘種質(zhì)資源中檢測CrMER3基因型，發(fā)現(xiàn)功能缺失的CrMER3a等位基因可能起源于原始的野生橘—‘莽山野橘’；隨后通過馴化傳遞到傳統(tǒng)的栽培橘，如椪柑、紅橘和砂糖橘等；再通過雜交途徑分布到現(xiàn)代柑橘栽培品種，如雞尾葡萄柚、‘不知火’橘橙等雜柑。根據(jù)CrMER3a變異位點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開發(fā)了KASP標(biāo)記，驗(yàn)證了其在不同柑橘類型中的有效性，為柑橘無核育種親本選配及雜種后代早期篩選提供了快速高效且低成本的分子標(biāo)記，并已創(chuàng)制一批潛在無核新種質(zhì)。這是國際上柑橘核不育細(xì)胞與分子機(jī)理解析、無核標(biāo)記開發(fā)并用于育種的首例報(bào)道，為柑橘無核種質(zhì)創(chuàng)制與新品種培育提供了一條新途徑。
我校園藝林學(xué)學(xué)院、果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生樊燕杰為該論文第一作者，郭文武教授和伍小萌教授為該論文的通訊作者，楊超教授、張飛教授、焦文標(biāo)教授、解凱東副教授、譚豐全博士參與了研究指導(dǎo)工作。博士生杜澤臻、何星怡、劉子昂、莊季昕、肖公傲、段耀園參與了該研究。揚(yáng)州大學(xué)程祝寬研究員在減數(shù)分裂基因篩選方面提供了寶貴建議，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)林宗成教授提供了擬南芥回補(bǔ)載體，鄧秀新院士、匡漢暉教授、陳春麗教授也提供了指導(dǎo)性建議和技術(shù)支持。該研究受“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助。
原文鏈接：http://doi.org/10.1111/jipb.13872
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