番茄是我國也是世界上最重要的蔬菜作物之一，全球年總產(chǎn)量近2億噸。目前在生產(chǎn)上使用的番茄品種主要是雜交種，因此親本純系的創(chuàng)制是其育種的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)方法獲得番茄純系一般需要多代自交，周期長、效率低，而單倍體育種只需通過單倍體生產(chǎn)和加倍兩個世代即可實現(xiàn)純系創(chuàng)制，大大加快了育種進程，是純系快速創(chuàng)制的“高鐵”技術(shù)和選育優(yōu)良品種的加速器。

盡管科學家們一直試圖在番茄等雙子葉作物上建立單倍體快速育種技術(shù)體系，但迄今仍未取得突破。中國農(nóng)業(yè)大學陳紹江教授團隊經(jīng)過長期研究，已建立起以誘導基因為基礎(chǔ)的玉米單倍體育種高效技術(shù)體系并成功大規(guī)模應用于育種實踐。如將該技術(shù)拓展至尚無有效途徑獲得單倍體的番茄等作物，將有助于創(chuàng)建跨物種的通用單倍體快速育種技術(shù)。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學領(lǐng)銜的國內(nèi)外單倍體育種技術(shù)研究團隊在植物領(lǐng)域知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上發(fā)表了“In vivo maternal haploid induction in tomato”的研究成果，首次建立了番茄單倍體誘導系統(tǒng)，為創(chuàng)建單雙子葉作物通用的跨物種單倍體快速育種技術(shù)體系奠定了基礎(chǔ)。

研究團隊在克隆玉米單倍體關(guān)鍵誘導基因ZmDMP的基礎(chǔ)上，通過序列比對，發(fā)現(xiàn)ZmDMP在番茄中存在1個同源基因。實驗結(jié)果表明，敲除該基因后的番茄材料在產(chǎn)生敗育種子的同時，可以在雜交和自交后代中形成一定比例的母本單倍體，證明了番茄中SlDMP基因突變同樣具備獨立的單倍體誘導的能力。對雜交產(chǎn)生的單倍體進行的高通量測序結(jié)果表明，這些單倍體均不攜帶來自父本的染色體組，這說明SlDMP突變體誘導產(chǎn)生的是純母本單倍體。

由于番茄種子小，單倍體鑒別較為困難，為克服這一技術(shù)瓶頸，研究團隊建立了熒光快速鑒別方法，通過浸種和萌發(fā)根尖熒光的兩步觀察，可實現(xiàn)番茄單倍體的精準鑒別。借助于這一方法，以創(chuàng)制的番茄單倍體誘導系為父本，與36個材料雜交均能夠產(chǎn)生母本單倍體，誘導率變幅為0.5%— 3.7%，平均誘導率為1.9%，這表明以DMP-HI系統(tǒng)為基礎(chǔ)的番茄單倍體誘導體系無明顯的基因型依賴性，表現(xiàn)出很好的通用性。同時，由于番茄具有較好的繁殖性能，有助于單倍體加倍并實現(xiàn)較高通量的DH純系創(chuàng)制。

陳紹江指出，現(xiàn)有進展為攻克番茄單倍體育種的國際性難題進行了成功探索。通過番茄DMP基因單倍體誘導功能的驗證，首創(chuàng)了番茄單倍體誘導系及其配套的誘導鑒別技術(shù)，突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。研究結(jié)果不僅為番茄單倍體快速育種技術(shù)研發(fā)起到奠基性的引領(lǐng)作用，也為在更多作物上創(chuàng)建通用的跨物種單倍體育種技術(shù)體系及雜種優(yōu)勢利用效能的提升開辟新的路徑。

中國農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心教授陳紹江、副教授劉晨旭和瓦赫寧根大學高級研究員Kim Boutilier為本文通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學博士后鐘裕、瓦赫寧根大學博士后陳寶建、中國農(nóng)業(yè)大學博士研究生王冬和中國農(nóng)科院基因組所朱曦鑒為論文共同第一作者，中國農(nóng)科院基因組所研究員黃三文、蔬菜花卉研究所博士張金喆參與了本研究工作。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、現(xiàn)代玉米產(chǎn)業(yè)體系、國家自然科學基金、中國農(nóng)業(yè)大學“雙一流”專項和博士后科學基金的資助。中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院教授楊文才、沈火林等對本項研究提供了支持。