玉米是我国种植面积最大的作物，集粮、经、饲于一体，也是利用杂种优势最为广泛的作物，杂交种普及率近乎100%。玉米细胞质雄性不育系已在杂交制种中得以应用，可以免除人工或机械去雄，降低制种成本，提高种子质量。然而，这类不育系存在着易受专一病原小种的侵染、恢复源受限、不育性状不稳定等缺点。细胞核雄性不育系克服了细胞质雄性不育系的上述缺点，但保持和生产不育系种子是其应用的技术瓶颈。基于基因编辑的新一代杂交制种技术 (Seed Production Technology, SPT)，解决了细胞核雄性不育系固有的缺陷，同时兼具了省劳力、增产量、稳定遗传、恢复源丰富等优点。然而，此类技术阻碍转基因传递的方法单一，不能彻底消除转基因的传递，影响其效率和安全性。因此，转基因传递率(Transgene transmission rate, TTR)是衡量该项技术的重要技术指标。
最近，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组创建了一种基于花粉管延伸抑制(pollen-tube-inhibition-based, PTI-based)的不育制种新技术。该技术区别于传统的使用花粉致死基因阻碍授粉进程，利用玉米单向杂交不亲和(Unilateral cross-incompatibility, UCI)基因ZmGa1F，抑制转基因花粉管的生长，阻碍转基因的有性传递。该研究从4种不同特异表达的启动子中筛选出成熟花粉粒特异的Zm13和Pg47驱动ZmGa1F配子型表达，证明了ZmGa1F取代花粉致死基因的可行性。
以本实验室创制的ipe1雄性不育系为研究对象，验证了该技术的可行性和有效性。PTI-based SPT的保持系在ipe1雄性不育系背景中导入一个转基因盒，其中包含IPE1基因用于恢复转基因植株的雄性育性，ZmGa1F基因用于阻止转基因花粉逃逸，DsRed2红色荧光蛋白编码基因用于区分雄性不育和雄性可育的种子，以及Bar基因用于转基因植株抗除草剂的筛选。在亲本繁殖过程中，PTI-based SPT保持系自交，产生ipe1/transgene和ipe1/-基因型的配子，而ipe1/transgene基因型的花粉由于ZmGa1F抑制花粉管的延伸而不能使雌配子受精。收获的种子为ipe1/ipe1和ipe1/transgene（1:1）基因型，两类种子可以通过荧光分选进行分离。对PTI-based SPT安全性进行了检测，发现保持系授粉6wc自交系杂交产生的二十万多粒种子中没有检测到一粒发出荧光的转基因种子，表明该技术的转基因传递率显著低于同类技术，具有广阔的应用潜力。
该研究成果以题为“A novel hybrid seed production technology based on a unilateral cross-incompatibility gene in maize”于2022年9月30日在线发表于Science China Life Sciences(DOI:10.1007/s11427-022-2191-7)。陈化榜组已毕业博士生蔡大润和博士后张照贵为论文共同第一作者，陈化榜研究员为通讯作者。该课题得到了国家自然科学基金的支持。
图：授粉中断模块的有效性分析。
