《The Crop Journal》：Production of diploid rice from tetraploid rice using a
MATRILINEAL gene
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双单倍体（DH）技术可加速作物育种，因为完全纯合的DH系仅需两代即可获得。MATRILINEAL（OsMATL）是在二倍体水稻（Oryza sativa）中用于DH技术和杂种优势固定的单倍体诱导基因。然而，由于四倍体基因组的复杂性和独特性，该基因在四倍体水稻中
双单倍体（DH）技术可加速作物育种，因为完全纯合的DH系仅需两代即可获得。MATRILINEAL（OsMATL）是在二倍体水稻（Oryza sativa）中用于DH技术和杂种优势固定的单倍体诱导基因。然而，由于四倍体基因组的复杂性和独特性，该基因在四倍体水稻中的功能尚不清楚。在此，研究人员检测了OsMATL在新四倍体水稻中诱导倍性降低的能力。与高育性新四倍体水稻品系华多1号相比，OsMATL敲除系（Osmatl4x）的结实率降低40%，而植株形态、穗部及花器官无其他变化。细胞学观察证实，授粉后1天受精停滞是Osmatl4x结实率降低的主要原因。Osmatl4x突变体通过自交或异交可在单代内产生二倍体水稻，诱导率为1.33%至7.69%。由Osmatl4x自交产生的二倍体后代（Osmatl2x植株）也表现出与四倍体亲本相似的较低结实率和较高的受精异常频率。相比之下，通过异交一个Osmatl4x系产生的二倍体后代DHM6（Diploid Hope and Magic 6，来自OsMATL敲除系6的DH系）具有较高的结实率。DHM6是发育正常的二倍体，与其母本黄华占-4x的相似程度超过其与Osmatl4x系的相似程度，但在形态上不同于黄华占-4x和黄华占-2x。研究人员在DHM6中检测到49个盐胁迫相关基因，其编码序列与黄华占-2x和黄华占-4x均存在差异。在150 mmol L?1 NaCl胁迫下，DHM6的种子萌发比黄华占-2x和黄华占-4x更稳定。这些发现为OsMATL在四倍体水稻利用中的作用提供了有价值的见解，并为将特定遗传变异从四倍体水稻转移到二倍体水稻提供了可能性。
论文解读：
**研究背景与目的**
四倍体水稻由二倍体水稻染色体加倍产生，具有茎秆粗壮、叶片增厚、籽粒增大等形态优势和更强的抗倒伏性、光合效率及增产潜力，但低育性严重制约其育种应用。新四倍体水稻通过多年杂交选育获得，结实率超过80%，具有强杂种优势、广亲和性及“中性基因”等优良特征，是优良的多倍体水稻育种亲本。然而，如何将这些四倍体特有的遗传变异有效转移到二倍体水稻中，一直是育种难题。MATRILINEAL（OsMATL）是二倍体水稻中已应用于双单倍体（DH）技术和杂种优势固定的单倍体诱导基因，但其在四倍体水稻中的功能尚未明确。本研究旨在探究OsMATL能否诱导新四倍体水稻产生二倍体后代，并评估其将四倍体独有变异转移至二倍体的可行性。该论文发表于《The Crop Journal》。
**主要技术方法**
研究以新四倍体水稻华多1号及其OsMATL敲除系为材料，另用同源四倍体台中65-4x和黄华占-4x分析基因编辑效应；DHM6系以黄华占-4x为母本与Osmatl突变体杂交获得。主要方法包括：基因编辑创制OsMATL纯合突变体；农艺性状调查；花粉育性（I2-KI染色）和花粉活力（TTC染色）测定；花粉管萌发观察；利用整体透明伊红染色-激光共聚焦扫描显微镜（WE-CLSM）观察花粉、胚囊及胚胎发育；RT-qPCR分析基因表达；系统发育与蛋白结构预测；对DHM6及其亲本进行基因组重测序，检测SNP和InDel并进行GO富集分析；在150 mmol L
?1 NaCl胁迫下测定种子萌发率、萌发势和萌发指数。
**研究结果**
**OsMATL的系统发育与表达模式分析**：RT-qPCR显示OsMATL主要在成熟花粉期花药中表达；系统发育分析表明其在水稻中保守，且华多1号与日本晴的蛋白结构无显著差异。
**OsMATL功能缺失导致低育性**：通过基因编辑获得两个纯合突变系Osmatl4x-1和Osmatl4x-2，其仅结实率较华多1号显著降低约40%，其他农艺性状无显著差异。
**OsMATL不影响花粉或胚囊发育**：突变体成熟花粉育性、活力及胚囊育性与野生型均无显著差异，表明OsMATL缺失未明显影响雌雄配子体发育。
**OsMATL功能缺失导致严重受精异常**：WE-CLSM观察发现，授粉后6小时突变体和野生型受精率相近，但授粉后1天和3天突变体正常受精胚囊频率显著降低，出现大量受精停滞和异常胚胎，证实受精受阻是结实率下降的主要原因。
**Osmatl4x通过自交产生低育性二倍体后代**：四个Osmatl4x群体自交诱导二倍体后代的频率为3.00%–5.71%。这些二倍体后代（Osmatl2x）的花粉育性和胚囊育性与四倍体亲本相似，但受精异常频率较高，仍表现低结实率。
**Osmatl4x杂交产生高育性二倍体后代**：以Osmatl4x为父本与多个四倍体水稻杂交，二倍体后代诱导率为1.33%–7.69%。其中DHM6经流式细胞术确认为二倍体，其结实率约65%，花粉育性和活力显著高于母本黄华占-4x，胚囊育性达91.11%，胚胎发育过程正常，表明异交获得的二倍体后代育性得到恢复。
**DHM6与2x和4x亲本的遗传变异比较**：基因组重测序分析显示，DHM6含有大量特有的SNP和InDel，涉及3676个基因的编码序列变异。GO富集分析发现这些变异基因富集于“RNA依赖的DNA复制”“防御反应”等条目，并鉴定到49个盐胁迫相关基因在DHM6中具有特异性多态性。
**DHM6与2x和4x亲本的利用比较**：在150 mmol L
?1 NaCl胁迫下，DHM6的种子萌发率为98.00%，显著高于黄华占-2x（78.00%）和黄华占-4x（54.00%），萌发势和萌发指数也均优于两个亲本，表现出更强的耐盐性。
**讨论与结论**
讨论部分指出，Osmatl4x低育性主要由受精停滞引起，而非雌雄配子体发育缺陷；OsMATL在四倍体水稻中仍具有诱导倍性降低的能力，且自交和异交均可产生二倍体后代。异交获得的DHM6为正常可育二倍体，其遗传变异可能源自四倍体到二倍体转换过程中的基因组重组。研究还发现DHM6中多个盐胁迫相关基因发生变异，并具有优于亲本的耐盐性。研究结论为：OsMATL能够有效介导四倍体水稻产生二倍体后代，为将四倍体水稻特异性遗传变异转移到二倍体水稻提供了理论和实践依据。
