无核是柑橘、葡萄、西瓜等果蔬园艺作物育种的重要目标。柑橘是世界第一大水果，无核果实备受鲜食市场青睐。但无核性状形成的分子机理尚不明晰，制约了无核新品种高效培育。芽变由稳定的体细胞突变引起，是柑橘等多年生果树的重要育种手段。无核芽变在柑橘中常有发生，如‘黔阳无核’椪柑、‘华柑4号’椪柑等。揭示柑橘无核突变的成因，有助于理解无核性状形成的遗传基础，对加速柑橘无核分子育种具有重要意义。
近日，JIPB在线发表了果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室郭文武教授团队题为“Somatic variations in the meiosis-specific gene CrMER3 confer seedlessness in a citrus bud sport”的研究论文，该研究揭示了减数分裂基因CrMER3自然突变导致无核椪柑雌雄不育和果实无核的分子机理，为柑橘无核育种提供了重要基因资源及分子标记辅助策略，对果实无核遗传改良具有重要意义。
该研究以有核椪柑品种（EG）为对照，发现体细胞突变品种无核椪柑（QS）花器官形态正常，但成熟花粉无活力，果实无核；用有活力的EG花粉对QS授粉后果实仍无核，表明QS雌雄均不育（图1）。为确定QS雌雄不育原因，首先观察减数分裂产物四分体，发现QS中出现大量异常多分体（81.67%）（图1J）；进而观察减数分裂不同阶段染色体行为，发现QS从终变期开始发生异常，染色体交叉（CO）数量显著减少，产生大量单价体，随后出现不均等分离、落后染色体等异常现象（图1K）。以上结果表明，减数分裂异常是QS雌雄不育的原因。
图1 减数分裂异常导致无核椪柑雌雄均不育
为探究QS无核变异位点，利用Pacbio结合Illumina测序数据，组装了EG和QS基因组，重点筛选与QS减数分裂异常表型类似的基因变异。发现QS的CrMER3基因区特异存在1个103 bp缺失。Sanger测序表明EG存在2个CrMER3等位基因CrMER3A和CrMER3a；与CrMER3A相比，CrMER3a由于编码区单碱基T缺失而提前终止，产生截短型蛋白。而QS中CrMER3A基因区段内发生103 bp缺失导致蛋白编码提前终止，将其命名为CrMER3A-103 bp。QS中2个等位基因CrMER3a和CrMER3A-103 bp均无法编码功能性CrMER3蛋白。研究人员通过CrMER3和CrREC8双免疫荧光定位证明QS中CrMER3功能完全缺失。
为验证CrMER3基因功能，对短童期柑橘模式植物山金柑（F. hindsii）MER3基因进行编辑，获得的纯合编辑植株表型均与QS一致，表现为花器官发育正常，花粉无育性，减数分裂紊乱，产生异常四分体。在柑橘种质资源中检测CrMER3基因型，发现功能缺失的CrMER3a等位基因可能起源于原始的野生橘—‘莽山野橘’；随后通过驯化传递到传统的栽培橘，如椪柑、红橘和砂糖橘等；再通过杂交途径分布到现代柑橘栽培品种，如鸡尾葡萄柚、‘不知火’橘橙等杂柑（图2）。根据CrMER3a变异位点，团队设计并开发了KASP标记，验证了其在不同柑橘类型中的有效性，为柑橘无核育种亲本选配及杂种后代早期筛选提供了快速高效且低成本的分子标记，并已创制一批潜在无核新种质。这是国际上柑橘核不育细胞与分子机理解析、无核标记开发并用于育种的首例报道，为柑橘无核种质创制与新品种培育提供了一条新途径。
图2 CrMER3在柑橘种质资源中的分布与无核育种应用策略
华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士研究生樊燕杰为该论文第一作者，郭文武教授和伍小萌教授为该论文的通讯作者，杨超教授、张飞教授、焦文标教授、解凯东副教授、谭丰全博士参与了研究指导工作。博士生杜泽臻、何星怡、刘子昂、庄季昕、肖公傲、段耀园参与了该研究。扬州大学程祝宽研究员在减数分裂基因筛选方面提供了宝贵建议，华中农业大学林宗成教授提供了拟南芥回补载体，邓秀新院士、匡汉晖教授、陈春丽教授也提供了指导性建议和技术支持。该研究受十四五国家重点研发计划项目、国家自然科学基金联合基金重点项目、中央高校基本科研业务费专项资金和国家现代农业（柑橘）产业技术体系资助。
原文链接：http://doi.org/10.1111/jipb.13872
本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/Yjf8HHvEvzk29xKOou8SAg
文字：樊燕杰
审核：伍小萌
