玉米单向杂交不亲和性(Maize unilateral cross-incompatibility, UCI)是一种合子前生殖隔离现象，控制花粉在不同类型玉米之间的传递，可用于玉米的无隔离生产。玉米UCI现象由单个位点控制，包含紧密连锁的花粉决定因子和花丝决定因子基因，其中花丝决定因子阻碍花粉为之授粉结实，而花粉决定因子能够突破花丝因子的阻碍。玉米的Ga1位点早在1902年就被发现控制玉米UCI现象，自然界中的玉米根据Ga1位点是否含有花粉或花丝因子基因/功能可分成Ga1-S (同时含有两个基因/功能)、Ga1-M (只含有花粉因子基因/功能)和ga1 (两者均不含有)类型。2018年，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组利用Ga1-S类型玉米自交系SDGa25克隆了Ga1位点的花粉决定因子ZmGa1P基因，编码果胶甲酯酶(Pectin Methylesterases, PME)。然而，研究者始终无法将Ga1位点定位到较小的遗传区间，暗示Ga1位点基因组结构复杂；而且在已经公布的ga1基因组(B73、Mo17和W22)存在多个有结构变异的ZmGa1P相似性序列。因此，Ga1位点在Ga1-S或Ga1-M基因组是否存在多个不亲和基因？在不同基因型材料中序列如何？这些基因是否都有功能？仍不得而知。
JIPB近日在线发表了陈化榜研究组题为“A single silk and multiple pollen-expressed PMEs at the Ga1 locus modulate maize unilateral cross-incompatibility”的研究论文(DOI:10.1111/jipb.13445)。该研究首先利用Ga1-S自交系SDGa25证明Ga1位点花丝决定因子ZmGa1F显性、单基因的遗传模式；通过图位克隆结合转录组测序得到了ZmGa1F基因，在Ga1-S基因型玉米自交系B4和B6中敲除ZmGa1F基因，突变体因此失去了阻碍ga1花粉的功能。接着，根据ZmGa1P设计通用引物扩增SDGa25的花粉cDNA，得到7个与ZmGa1P高度相似且具有完整ORF (open reading frame)的基因(ZmGa1PLs, ZmGa1PL1-ZmGa1PL7)，它们均分别具有独立为Ga1-S自交系授粉结实的功能。利用最近公布的玉米基因组数据分析发现，Ga1位点在Ga1-S和Ga1-M与ga1之间完全没有共线性，但在相同基因型(Ga1-S和Ga1-M之间，或ga1之间)基因组之间共线性良好。虽然所有基因组均存在一系列ZmGa1P和ZmGa1F相似性序列，但这些序列在ga1基因组均没有完整的ORF，在Ga1-S和Ga1-M则分别具有8种编码ZmGa1P和ZmGa1PLs以及1个ZmGa1F蛋白的序列，完全对应于在SDGa25自交系中克隆得到的花粉和花丝决定因子基因。结合遗传和基因组数据，研究者最终解析了Ga1位点的遗传结构变异。
图：玉米Ga1位点单花丝和多花粉决定因子调控单向杂交不亲和性
陈化榜研究组近年来在玉米UCI研究方面取得一系列原创进展，先后克隆了Ga1位点的花粉决定因子基因(Zhang et al., Nat. Commun. 2018)、Ga2位点的花粉和花丝决定因子基因(Chen et al., Nat. Commun. 2022)以及Tcb1位点的花粉决定因子基因(Zhang et al., Plant Biotechnol. J. 2022)，并初步解析了其不亲和生理过程。本研究进一步证明Ga1位点单花丝决定因子和多花粉决定因子的基因组结构模式，也为Ga2和Tcb1位点的研究奠定了基础。副研究员张照贵和博士生李凯为论文第一作者，陈化榜研究员为通讯作者。该课题得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
