2022教育部奖公示材料.doc

华中农业大学2022年度教育部奖公示材料 一、项目名称:植物单细胞技术驱动玉米生殖发育机制解析 提名单位：华中农业大学 项目简介： 玉米是我国第一大粮食作物，也是遗传学研究模式物种。申请人团队在国际 上率先发展了一系列植物单细胞测序技术，独辟蹊径从不同角度解析了玉米生殖 发育过程中重组交换、重编程、单倍体诱导和雄性不育等多个关键科学问题，开 创了植物单细胞研究的新方向，为作物遗传改良提供了理论支撑。取得主要成果 如下： 1、 首次利用单细胞测序技术，精确解析玉米雌雄遗传重组的规律 成功分离了玉米四分体的四个小孢子及其完整的 DNA，首次实现了植物单 细胞全基因组测序，精细地揭示了玉米雄配子减数分裂重组交换（CO）规律。 发现同源重组交换更容易发生在基因区，并且富集于基因的 5’和 3’调控区，且 基因转换可能伴随重组交换发生。揭示了玉米基因组中存在较强染色体负干涉和 染色单体干涉。实现玉米单胚囊的分离和测序，发现玉米雌配子的重组交换平均 为 12.4 次，显著低于雄配子的重组交换 19.3 次。揭示不同遗传背景下雄配子重 组次数高于雌配子的原因是由于雄配子中存在更多的 I 型和 II 型 CO 事件，修正 了康奈尔大学 Wojciech Pawlowski 教授团队关于玉米雌雄重组没有差别的结论， 丰富了对遗传重组的认识，为玉米育种过程中的亲本选择提供了理论基础。结果 发表在 Nature Communications (2015；2019) (代表性论文 1 和 2)。 2、 利用植物单细胞甲基化测序技术，发现玉米雄配子具有甲基化重编程特性 利用重亚硫酸盐处理和随机引物扩增建库，开发了一种新的植物单细胞 DNA 甲基化测序技术 scBRIF-seq，可对 CG、CHG 和 CHH 多种甲基化状态实现 较高的序列比对率和基因组覆盖度。对玉米雄配子第一次减数分裂后的四分体进 行甲基化测序后发现，同一四分体的小孢子甲基化状态相似，不同四分体小孢子 甲基化状态存在显著异质性。甲基化异质性是减数分裂后不同类型的甲基化重编 程所导致，并发现甲基化重编程程度与甲基化类型和遗传背景没有相关性。结果 发表在 Molecular Plant (2019) (代表性论文 3)。 3、 利用成熟花粉的单核基因组测序，发现单倍体诱导和雄性不育机制 成功分离玉米父本单倍体诱导系 CAU5 的一个成熟花粉粒的三个精核，首 次实现植物单核测序。发现诱导系 CAU5 的雄配子在三核花粉期相比四分体时 期，存在更高频的基因组非整倍性。发现父本诱导系精核 DNA 片段化是玉米单 倍体诱导的细胞学基础，为单倍体诱导的双授精假说提供了直接证据。通过图位 克隆，鉴定了一个新的控制玉米花粉外壁发育的基因 IPE1，影响雄花育性。该 基因在雄配子的四分体和单核花粉早期高表达，生化实验和转录组分析发现， IPE1 可能涉及蜡质、脂肪酸和内黄酮代谢途径，并在拟南芥中存在保守的功能。 相关结果发表在 Nature Communications (2017)和 Plant Physiology (2017) (代表性 论文 4 和 5)。 主要完成人： 排名：1 姓名：严建兵 技术职称：教授 工作单位：华中农业大学 完成单位：华中农业大学 对本项目的重要科学贡献： (1) 第一完成人对创新点 1、2 和 3 有主要贡献。 (2) 完成了玉米单细胞技术对生殖发育解析的项目总体规划指导。是代表作 1、 2、 3、4 的第一作者指导教师，是代表作 1 的通讯作者，代表作 2、3、4 的共同 通讯作者。 排名：2 姓名：李响 技术职称：研究员 工作单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所 完成单位：华中农业大学 对本项目的重要科学贡献： (1) 第二完成人，对创新点 1、2 和 3 有重要贡献。 (2) 主要完成了玉米花粉单孢子测序技术开发和雄配子重组图谱绘制，完成了单 细胞 DNA 甲基化测序技术研发和四分体甲基化重编程研究。参与指导玉米 雌配子分离测序技术和重组分析。是代表作 1 和代表作 4 的第一作者，代表 作 3 的共同一作，代表作 2 的共同通讯作者。 排名：3 姓名：罗成 技术职称：北大博士在读 工作单位：北京大学 完成单位：华中农业大学 对本项目的重要科学贡献： (1) 第三完成人，对创新点 2 有主要贡献。 (2) 主要完成了玉米雌配子单胚囊分离技术研发和基因组测序，完成雌雄配子重 组差异机制的解析。是代表作 2 的第一作者。 排名：4 姓名：金危危 技术职称：教授 工作单位：中国农业大学 完成单位：中国农业大学 对本项目的重要科学贡献： (1) 第四完成人，对创新点 3 有主要贡献。 (2) 主要完成了玉米诱导系染色体的细胞学观察，并参与指导通过单精核测序解 析单倍体诱导机制的工作。完成了一个调控花药发育的新基因 IPE1 的克隆和 功能解析。是代表作 4 的共同通讯作者，是代表作 5 的共同通讯作者。 主要完成单位：华中农业大学 代表性论文（专著）目录（包括：论文（专著）名称/刊名/作者）： 1. Dissecting meiotic recombination based on tetrad analysis by single-microspore sequencing in maize/Nature Communications/Li X, Li L, Yan J 2. Single gametophyte sequencing reveals that crossover events differ between sexes in maize/Nature Communications/Luo C, Li X, Zhang Q, Yan J 3. BRIF-Seq: Bisulfite-Converted Randomly Integrated Fragments Sequencing at the Single-Cell Level/Molecular Plant/Li X, Chen L, Zhang Q, Sun Y, Li Q, Yan J 4. Single nucleus sequencing reveals spermatid chromosome fragmentation as a possible cause of maize haploid induction/Nature Communications/Li X, Meng D, Chen S, Luo H, Zhang Q, Jin W, Yan J 5. IRREGULAR POLLEN EXINE1 Is a Novel Factor in Anther Cuticle and Pollen Exine Formation/Plant Physiology/ Chen X, Zhang H, Sun H, Luo H, Zhao L, Dong Z, Yan S, Zhao C, Liu R, Xu C, Li S, Chen H, Jin W