玉米是我国播种面积最大、产量最高的作物，其用途广泛，除了作为饲料外，还有各种工业用途，并为人类提供优质的蛋白和淀粉。玉米雌雄同株异花，天然异交率高达95%以上，因此杂交种制种和专用玉米的生产需要严格隔离。常规的时间和空间隔离措施费时费力，难度大，如何利用科学的方式实现玉米无隔离生产，是迫切需要解决的生产难题。一般情况下，玉米自交和杂交都能够结实，但是自然界中存在少数玉米不接受其他玉米花粉的现象，称之为玉米的单向杂交不亲和(Unilateral cross-incompatibility, UCI)。在玉米中报道了Ga1、Ga2和Tcb1三个UCI位点，均分别由花粉和花丝决定因子构成。自然界中的玉米根据UCI位点的结构与功能分成三种类型：S型 (Ga1-S、Ga2-S和Tcb1-S)，同时含有花粉和花丝决定因子基因；M型 (Ga1-M、Ga2-M和Tcb1-M)，只含有花粉决定因子基因；普通类型 (ga1、ga2和tcb1)，既不包含花粉也没有花丝决定因子基因。UCI控制单倍体配子的有性传递方向，可用于不同类型玉米间的生殖隔离。
中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组一直致力于玉米单向杂交不亲和的研究，先后报道了Ga1和Ga2位点的花粉和花丝因子基因及其应用(Zhang et al., 2012; Zhang et al., 2018，Chen et al., 2022; Cai et al., 2022)。近期，该团队在玉米不亲和研究方面再次取得重要进展，克隆了Tcb1位点的花粉决定因子Tcb-m。这是玉米不亲和系统“最后一个”被克隆的决定因子基因。至此，三个不亲和位点的所有关键决定因子都被克隆验证，为玉米不亲和系统之间共性和特异性的研究奠定了基础。相关研究成果以“A pollen expressed PME gene at Tcb1 locus confers maize unilateral cross-incompatibility”为题于2022年11月16日在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表。
研究发现，玉米Tcb1位点的花粉因子Tcb1-m编码果胶甲酯酶(Pectin Methylesterases, PME)，在Tcb1-S型材料的花粉中特异表达。通过转基因的方式在普通玉米中表达Tcb1-m基因，可以使其为Tcb1-S型材料授粉结实。令人惊奇的是，Tcb1位点和Ga1位点紧密连锁，它们的花粉之间和花丝因子之间高度相似，两个位点是串联重复关系。但是Tcb1位点只存在于玉米原始祖先大刍草中，而Ga1位点同时存在于大刍草和玉米中，表明两个位点在玉米驯化以后发生分化，并产生了特异性。自然界中的普通玉米中也存在一定数量的含有Ga1或者Ga2位点的材料，会降低玉米UCI位点的应用价值。于是研究人员将含有三个位点的材料进行不同形式的位点组合，创制了同时含有两个或者三个不亲和位点的聚合材料，不但能够更加有效的阻碍普通玉米的花粉，也能够有效防止含有单一不亲和位点的材料穿透的风险，进一步提高了玉米不亲和在无隔离制种和生产中的应用。该研究也为不亲和系统的机理解析奠定了材料基础。
陈化榜组博士后张照贵为论文第一作者，陈化榜研究员为通讯作者。已毕业博士生陈智斌和在读博士生李凯为聚合材料的创制做出了主要贡献，在读博士生张腾飞完成了转录组数据分析工作。特别感谢中国农业大学田丰教授和江苏省农业科学院赵涵研究员为本研究提供的材料支持。该课题得到了国家自然科学基金的支持。
图：玉米Tcb1位点花粉因子基因的克隆和应用
