近日，Frontiers in Plant Science（二区，IF = 6.627）在线发表了生物学院张平冬教授课题组题为“Gibberellins as a novel mutagen for inducing 2n gametes in plants”的研究论文。
高温和秋水仙碱是植物2n配子诱导的高效理化诱变剂，已广泛运用于诱导杨树、杜仲、桉树等木本植物的大孢子、小孢子以及胚囊染色体加倍选育三倍体的育种实践。然而，由于秋水仙碱具有剧毒，如果操作不当，易导致操作人员中毒；高温诱导获得的2n配子均为SDR型2n配子，其传递亲本杂合性仅为FDR型2n配子的一半，严重限制了这些诱变剂在植物三倍体育种中的应用。因此，开发新型植物2n配子诱变剂显得尤其重要。
赤霉素是一类重要的内源植物激素，具有调节细胞分化、种子萌发、叶片扩展、毛状体发育、花粉成熟以及开花转换等方面的功能。赤霉素也是一种信号分子，参与调控了多个物种花粉母细胞绒毡层的发育和程序性凋亡。赤霉素还是一种非生物逆境应激信号分子，水稻冷胁迫时，通过降低内源赤霉素水平以抑制根系生长并阻滞花粉发育。然而，赤霉素在植物性母细胞减数分裂过程中的调控作用却鲜有报道。
该研究以新疆杨（Populus bolleana）、银灰杨（Populus canescens）、毛白杨无性系5088（Populus tomentosa clone 5088）雄花枝为试验材料，在掌握其花粉母细胞减数分裂规律的基础上，开展了赤霉素注射处理对花粉母细胞减数分裂微管骨架和胞质分裂的影响；赤霉素诱导杨树花粉染色体加倍选育三倍体等研究。发现新疆杨花粉母细胞经赤霉素处理后，减数分裂末期Ⅱ辐射状微管发生部分缺失，导致两个相邻子核间胞质分裂缺陷（图1），可致使2n花粉产生。进一步赤霉素诱导杨树花粉染色体加倍选育三倍体的研究结果表明，减数分裂时期（F = 41.882, P < 0.001）、注射次数（F = 172.466, P < 0.001）对2n花粉诱导率有显著影响；赤霉素浓度（F = 1.391, P = 0.253）对2n花粉诱导率无显著影响。确定了赤霉素诱导新疆杨获得2n花粉的有效处理时期为前期Ⅱ；筛选出当花粉母细胞发育至前期II时，以10 μM的赤霉素进行7次注射处理是赤霉素诱导新疆杨花粉染色体加倍的最佳处理组合，2n花粉诱导率平均可达21.37%（图2）。利用诱导获得的新疆杨、银灰杨2n花粉与银腺杨（Populus alba× Populus glandulosa）单倍性雌配子杂交，获得18株来源于赤霉素诱导型2n花粉的三倍体，构建了赤霉素诱导杨树花粉染色体加倍选育三倍体的技术体系，并获得国家发明专利。
图1 新疆杨花粉母细胞减数分裂过程中微管骨架的动态变化
图2 赤霉素注射处理诱导新疆杨2n花粉及其对雄花芽发育的影响
生物学院博士研究生赵一帆为论文的第一作者，张平冬教授为通讯作者，康向阳教授参与并指导了该项研究。该研究得到了国家重点研发计划课题（2021YFD2200105）资助。
论文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1110027/full
