利用染色体消除法构建水稻单倍体

Haploids generated from a heterozygous individual and converted to diploid create instant homozygous lines, bypassing generations of inbreeding. However, difficulty getting haploid plants restricted the application of haploid breeding technology. In Arabidopsis, haploid plants can be easily generated through seeds by manipulating the centromere-specific histone CENH3 protein, crossing GFP-tailswap plants to wild type and chromosomes from the mutant are eliminated. The haploid induction rate could up to 45%. GFP-tailswap line can keep as haploid inducing line. We aim in this proposal to create the transgenic plant material GFP-tailswap that CENH3 is modified in rice, and use it to produce rice haploid population. The new strategy of produce haploid rice will useful in future plant breeding. Also, we intend to screen proteins that interact with CENH3, investigate the function of CENH3-interacting genes, and explore their coordinated regulation mechanism.

单倍体加倍能够在相对较短时间内使性状得以纯合，缩短植物育种进程，在育种上极具价值。但单倍体植株获得困难制约了单倍体技术的运用。拟南芥中研究发现，只表达人工改造着丝粒DNA特异结合组蛋白H3 (CENH3)的转基因植株GFP-tailswap与野生型杂交后发生染色体消除现象，可以获得单倍体种子，单倍体诱导率最高可达45%。GFP-tailswap植株可作为单倍体诱导系保存。本项目拟在水稻中，构建水稻变异CENH3突变体植物材料作为水稻单倍体诱导系，通过杂交制备水稻单倍体群体，探索单倍体诱导系在水稻育种中的应用潜力，建立新的水稻单倍体培育体系。这将是农作物单倍体获得技术的突破。同时，本项目拟通过生物化学、分子生物学、遗传学等手段研究CENH3的互作蛋白及作用方式，阐明CENH3在染色体分离中的调控机制，以解析染色体消除现象的分子机理。

在水稻育种上，通过单倍体加倍的方法可以在相对较短的时间内获得性状纯合的植株，有效缩短育种进程。但单倍体植株获得困难制约了单倍体技术的运用。本项目原计划通过人工改造着丝粒DNA特异结合组蛋白H3 (CENH3)造成与野生型植株杂交后发生染色体消除现象来制备单倍体，但在研究过程中发现，利用基因编辑技术敲除CENH3基因后，会导致水稻植株死亡，无法获得cenh3纯合突变体，与转入人工改造后CENH3的转基因植株杂交也无法得到水稻单倍体诱导系GFP-tailswap，这严重阻碍了本项目的后续进行。因此，本项目根据玉米中关于单倍体的研究成果更改研究计划，通过敲除水稻中的玉米同源基因MTL来获得水稻单倍体诱导系。在以mtl水稻单倍体诱导系为父本的杂交后代中，通过分子标记检测及流式细胞术技术手段，检测得到了水稻单倍体，成功构建了水稻单倍体诱导系。