陈绍江、刘晨旭团队创建作物通用型、高效可视化单倍体鉴别系统

2023年5月18日，Plant Biotechnology Journal发表了中国农业大学陈绍江、刘晨旭团队题为“The RUBY reporter enables efficient haploid identification in maize and tomato”的研究论文。该研究首次将甜菜红素标记，用于玉米和番茄单倍体的高效鉴别，为跨作物单倍体鉴别体系创建提供了重要借鉴。

单倍体育种技术能显著缩短纯系获得的时间，已成为玉米现代作物育种关键共性技术。基于陈绍江、刘晨旭团队在玉米中克隆的关键诱导基因ZmPLA1和ZmDMP，已成功将玉米单倍体诱导体系拓展至水稻、小麦、谷子、番茄、苜蓿、油菜、烟草、马铃薯和西瓜等作物中。由于多数物种中诱导后所获得的单倍体只占后代的2%左右，因此需要一套高效鉴别体系以实现单倍体的快速挑选。现有的单倍体鉴别体系中，R1-nj、RFP和eGFP标记虽已被成功应用于玉米、番茄等作物的单倍体鉴别，但R1-nj目前仅限在玉米中使用且易受种质背景的影响，RFP和eGFP则依赖特定的设备。因此，目前仍缺乏一种高效、可视化的单倍体鉴别标记。甜菜红素是以酪氨酸为底物经CYP76AD1、DODA、GT三种酶催化合成的产物，而甜菜红素合成系统RUBY则将这三种酶的合成偶联到一个开放的阅读框中。酪氨酸在植物细胞内广泛存在，理论上RUBY能植物的任何组织中表达，是理想的单倍体鉴别标记。

因此，研究团队将甜菜红素合成系统RUBY导入玉米单倍体诱导系中，创制了在幼胚、幼芽、幼苗和成熟植株均能大量积累甜菜红素的RUBY诱导系（图1）。进一步的研究表明，RUBY在授粉后10天的杂交幼胚中便能显色，且随着授粉时间的增加，颜色逐渐加深；经24小时的体外培养后，甜菜红素能进一步积累，可实现玉米单倍幼胚的鉴别，准确率高达100%（图2）。且RUBY在多个种质材料中均能实现单倍体准确鉴别，表明RUBY不受遗传背景的影响。

图1.玉米RUBY表达元件及转基因植株表现

图2.玉米RUBY单倍体诱导系在未成熟籽粒、幼胚及幼苗中的表现及单倍体鉴别效果

为探究RUBY在双子叶作物中鉴别单倍体的效果，创制了在种子、萌发的幼根和幼苗中稳定表达甜菜红素的RUBY诱导系（图3）。RUBY诱导系与普通番茄杂交后，未萌发种子均呈现出红色，种子萌发后，单倍体幼根颜色正常，而二倍体幼根呈深红色，两者差异明显（图4）。通过幼根色素差异，可实现高效的番茄单倍体裸眼鉴别。

图3.番茄RUBY表达元件构建及单倍体诱导系色素表现

图4.利用番茄RUBY诱导系鉴别单倍体表现

该研究首次利用甜菜红素合成系统RUBY创制了玉米和番茄RUBY单倍体诱导系，分别实现了在玉米和番茄高效的单倍体鉴别，为跨作物单倍体鉴别体系提供一种全新的方法和策略，有助于进一步推动作物育种共性关键技术的发展与应用。

中国农业大学农学院国家玉米改良中心陈绍江教授和刘晨旭副教授为该论文的通讯作者，博士生王冬和博士后钟裕为论文共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFD1201200）、国家玉米产业技术体系（CARS-02-05）、国家自然科学基金（32001554）和海南崖州湾种子实验室（B21HJ0501）等项目的资助。

文字：刘晨旭

图片：刘晨旭

责编：张晨阳

审核：董朝斌