海大团队成果登上《自然—植物》！提供单倍体诱导技术关键性线索！

近日，海南大学三亚南繁研究院李靖团队发现，通过灵活操纵生长环境温度可多方面优化母本和父本单倍体诱导效率，为在广泛的作物中推广单倍体诱导技术提供了关键性的线索。

北京时间2023年4月3日晚23时，该团队以“A simple and highly efficient strategy to induce both paternal and maternal haploids through temperature manipulation”为题在国际期刊《自然—植物》（Nature Plants）上发表了相关成果。

尽管单倍体诱导是种业前沿核心技术之一，但大部分作物中仍缺乏高效的方便应用的单倍体诱导系，这是限制其广泛应用的关键性技术瓶颈。在受精后早期胚发育过程中，诱导系基因组被清除是形成单倍体胚胎的主要机理之一。CENH3（CENPA）是着丝粒特异性组蛋白变体，在细胞分裂过程中主要发挥着维持染色体的正常分离的功能。因此，十多年前SimonChan等在拟南芥的基础研究中发现，操纵CENH3功能可以将拟南芥植株转化为灵活（即可诱导母本单倍体，又可诱导父本单倍体）高效（父本单倍体诱导效率在20%以上）的单倍体诱导系后，科学家们意识到该体系理论上应该能够推广到其他作物中去。但是经众多科学家多年努力，只在小麦、玉米等少数作物上成功创制了基于CENH3的单倍体诱导系，而这些诱导系诱导效率远没有拟南芥中高。这暗示了可能还有其他因素影响了单倍体的形成和诱导效率。

李靖团队研究单倍体形成机理中发现，相比于野生型植株，拟南芥中最经典高效的单倍体诱导系，GFP-tailswap的花粉活力和单倍体诱导能力都对环境温度高度敏感。轻微的提高（22℃到25℃）环境温度既可造成GFP-tailswap花粉活力几乎完全丧失，而单倍体诱导能力却显著提升，而降低温度则有完全相反的效应。作者进一步发现诱导能力对环境的敏感性是基于CENH3的诱导系的普遍特性。基于该发现，通过提高温度可以直接在简化去雄和提高诱导效率两方面同时优化父本单倍体的诱导过程。但是对于使用诱导系花粉进行母本单倍体诱导来说，改变温度产生的是一对相互矛盾的效应，如提高温度虽可以提高效率但严重降低了花粉的活力，使得诱导实际上难以执行。经过认真的分析验证，作者们发现，温度对诱导效率的影响主要发生于受精后，即独立于对花粉活力的影响。该发现促使得作者们设计了一个通过使用低温回复的花粉在高温条件下诱导母本单倍体的策略。使用该策略，他们成功的在花粉供给和诱导效率两个方面显著优化了母本单倍体的诱导。

因基于CENH3的单倍体诱导系育性和诱导能力对环境温度都高度敏感。高诱导能力的诱导系可能往往伴随着育性的降低。这样在创制诱导系时，或者因育性低而错失高效的备选诱导系，或者育性好的材料只因测试环境条件不合适，诱导能力没有体现出来。基于此，本研究为将基于CENH3的单倍体诱导系推广到其他作物提供了非常有价值的线索，即后续应不能忽视环境温度的影响。

除此之外，该研究为揭示CENH3在维持细胞分裂过程中染色体的精确分离控制和单倍体形成机理这些关键基础生物学问题也提供了非常有价值的线索。

万尼瓦尔·布什在《科学——没有止境的前沿》报告中提出“基础研究是技术进步的先驱”。在CENH3相关的研究上就是一个例证。CenH3在维持染色体的正常分离中发挥关键作用，拟南芥中的研究促使了以CenH3为基础的单倍体诱导体系的发明。

该技术因理论上应该能在作物中广泛推广而备受关注，但是在不同作物中的尝试却未如预期成功。

该团队研究发现，环境温度可能是在创制和优化单倍体诱导系时不得不考虑的一个关键性因素，灵活操控环境温度应可以充分挖掘该技术的潜力。该发现为在作物中创制和优化单倍体诱导提供非常有价值的线索。“我们渴望我们在拟南芥中的发现能够再次证明模式作物中的基础研究的重大价值。”李靖说。

海南大学三亚南繁研究院李靖教授为论文的通讯作者，李靖教授团队的华中农业大学生在读博士研究生王泽为第一作者。李靖教授团队的在读研究生杨欢（海南大学）、余有峰（华中农业大学）和已毕业研究生陈敏（华中农业大学）、胡证道（华中农业大学）、徐浩（华中农业大学）对本研究做出了重要贡献。华中农业大学的严顺平教授、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所易可可研究员也参与了本项研究。该研究得到海南大学人才启动经费的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01389-x