近日，F(xiàn)rontiers in Plant Science（二區(qū)，IF = 6.627）在線發(fā)表了生物學(xué)院張平冬教授課題組題為“Gibberellins as a novel mutagen for inducing 2n gametes in plants”的研究論文。
高溫和秋水仙堿是植物2n配子誘導(dǎo)的高效理化誘變劑，已廣泛運(yùn)用于誘導(dǎo)楊樹(shù)、杜仲、桉樹(shù)等木本植物的大孢子、小孢子以及胚囊染色體加倍選育三倍體的育種實(shí)踐。然而，由于秋水仙堿具有劇毒，如果操作不當(dāng)，易導(dǎo)致操作人員中毒；高溫誘導(dǎo)獲得的2n配子均為SDR型2n配子，其傳遞親本雜合性僅為FDR型2n配子的一半，嚴(yán)重限制了這些誘變劑在植物三倍體育種中的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型植物2n配子誘變劑顯得尤其重要。
赤霉素是一類(lèi)重要的內(nèi)源植物激素，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、種子萌發(fā)、葉片擴(kuò)展、毛狀體發(fā)育、花粉成熟以及開(kāi)花轉(zhuǎn)換等方面的功能。赤霉素也是一種信號(hào)分子，參與調(diào)控了多個(gè)物種花粉母細(xì)胞絨氈層的發(fā)育和程序性凋亡。赤霉素還是一種非生物逆境應(yīng)激信號(hào)分子，水稻冷脅迫時(shí)，通過(guò)降低內(nèi)源赤霉素水平以抑制根系生長(zhǎng)并阻滯花粉發(fā)育。然而，赤霉素在植物性母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程中的調(diào)控作用卻鮮有報(bào)道。
該研究以新疆楊（Populus bolleana）、銀灰楊（Populus canescens）、毛白楊無(wú)性系5088（Populus tomentosa clone 5088）雄花枝為試驗(yàn)材料，在掌握其花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂規(guī)律的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了赤霉素注射處理對(duì)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂微管骨架和胞質(zhì)分裂的影響；赤霉素誘導(dǎo)楊樹(shù)花粉染色體加倍選育三倍體等研究。發(fā)現(xiàn)新疆楊花粉母細(xì)胞經(jīng)赤霉素處理后，減數(shù)分裂末期Ⅱ輻射狀微管發(fā)生部分缺失，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰子核間胞質(zhì)分裂缺陷（圖1），可致使2n花粉產(chǎn)生。進(jìn)一步赤霉素誘導(dǎo)楊樹(shù)花粉染色體加倍選育三倍體的研究結(jié)果表明，減數(shù)分裂時(shí)期（F = 41.882, P < 0.001）、注射次數(shù)（F = 172.466, P < 0.001）對(duì)2n花粉誘導(dǎo)率有顯著影響；赤霉素濃度（F = 1.391, P = 0.253）對(duì)2n花粉誘導(dǎo)率無(wú)顯著影響。確定了赤霉素誘導(dǎo)新疆楊獲得2n花粉的有效處理時(shí)期為前期Ⅱ；篩選出當(dāng)花粉母細(xì)胞發(fā)育至前期II時(shí)，以10 μM的赤霉素進(jìn)行7次注射處理是赤霉素誘導(dǎo)新疆楊花粉染色體加倍的最佳處理組合，2n花粉誘導(dǎo)率平均可達(dá)21.37%（圖2）。利用誘導(dǎo)獲得的新疆楊、銀灰楊2n花粉與銀腺楊（Populus alba× Populus glandulosa）單倍性雌配子雜交，獲得18株來(lái)源于赤霉素誘導(dǎo)型2n花粉的三倍體，構(gòu)建了赤霉素誘導(dǎo)楊樹(shù)花粉染色體加倍選育三倍體的技術(shù)體系，并獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。
圖1 新疆楊花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程中微管骨架的動(dòng)態(tài)變化
圖2 赤霉素注射處理誘導(dǎo)新疆楊2n花粉及其對(duì)雄花芽發(fā)育的影響
生物學(xué)院博士研究生趙一帆為論文的第一作者，張平冬教授為通訊作者，康向陽(yáng)教授參與并指導(dǎo)了該項(xiàng)研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2021YFD2200105）資助。
論文鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1110027/full
