小麦与玉米跨亚科杂交创制新型细胞质杂种：体外受精系统构建、基因组组成解析及光合类型鉴定

本研究针对小麦(Triticum aestivum)与玉米(Zea mays)远缘杂交的生殖隔离难题，通过创新性构建体外受精(IVF)系统，成功获得具有小麦核基因组和玉米-小麦混合线粒体基因组的可育细胞质杂种(cybrid)。研究揭示了玉米线粒体DNA在杂种中的稳定遗传规律及重组特征，为C3-C4作物间线粒体资源利用提供了新范式。

　　

研究背景与科学问题

禾本科作物间的远缘杂交一直是植物育种领域的重要挑战。小麦作为全球主粮作物，其遗传改良亟需引入远缘物种的优良性状，尤其是玉米等C4作物特有的高光合效率特性。然而，小麦与玉米分属Pooideae和Panicoideae不同亚科，存在严重的生殖隔离——传统杂交会导致玉米染色体在胚胎发育过程中被选择性消除，仅能获得小麦单倍体。虽然体细胞融合技术曾尝试打破这一壁垒，但获得的杂种植株缺乏系统表型评价。这促使研究者思考：能否通过精确操控配子融合过程，创制兼具双方优势的新型杂种？

关键技术突破

研究团队建立了跨物种体外受精(IVF)技术体系，通过电融合技术构建了六种配子组合的杂交合子（包括双合子DZ），结合Millicell培养系统和分阶段培养基转换实现杂种胚胎发育。运用流式细胞术检测倍性，短读长测序解析核/细胞器基因组组成，荧光原位杂交(FISH)可视化线粒体DNA空间分布，并通过光合速率-CO₂响应曲线(A/Ci)和碳同位素比值(δ¹³C)分析光合类型。

主要研究发现

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   配子组合决定发育命运

   通过WeMs（小麦卵+玉米精）合子成功再生小麦单倍体，验证了玉米染色体消除现象；而MeWs（玉米卵+小麦精）合子因核-质不兼容(NC)停滞在早期细胞团阶段。引人注目的是，通过添加小麦卵细胞构建的MeWeWs三配子合子成功突破发育障碍，再生率达83%。

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   基因组组成解析

   全基因组测序显示再生植株均为细胞质杂种(cybrid)，具有小麦核基因组和嵌合线粒体基因组（小麦+玉米）。玉米线粒体基因组覆盖率达30-93%（平均75%），显著高于此前报道的水稻-小麦cybrid（平均27%）。特别发现trnE-a2等基因保守保留，而nad7等基因普遍丢失。

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   线粒体动态遗传

   FISH技术首次捕捉到小麦-玉米线粒体DNA的物理重组证据，发现交替排列的杂交信号。基因组PCR证实72% F1代和76% F2代稳定遗传全部13个玉米mtDNA标记区域，揭示出不同于叶绿体的特殊维持机制。

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   光合特性保持C3型

   尽管引入C4作物线粒体，cybrid的CO₂补偿点和δ¹³C值(-37.8‰至-31.3‰)均与小麦对照相当，表明C3光合途径未受显著影响。

科学意义与展望

该研究在《Journal of Experimental Botany》发表的成果实现了三大突破：

1）建立跨亚科植物配子精准操控技术体系，为远缘杂交提供新范式；

2）揭示玉米线粒体与小麦细胞器的特殊兼容性，挑战了传统核-质共进化认知；

3）创制"Zea wheat"新型种质，为线粒体育种开辟道路。未来研究将聚焦重组线粒体对胁迫响应的分子机制，以及通过多组学联用解析C3-C4中间代谢调控网络。