水稻OsCENH3基因编辑诱导非整倍体：单倍体诱导新策略的探索与局限

本研究针对水稻单倍体诱导技术效率低下的瓶颈问题，通过CRISPR/Cas9系统靶向编辑着丝粒组蛋白变体OsCENH3基因，构建了包括尾域突变体、组蛋白折叠域(HFD)突变体和GFP-tailswap互补系在内的6种突变体。研究发现尾域突变体C1-1和C1-5在杂交后代中可诱导0.67-0.78%的非整倍体，但未能获得真正单倍体，揭示了OsCENH3介导的染色体消除机制在水稻中的局限性。该成果为开发基于着丝粒工程的水稻单倍体育种技术提供了理论框架和技术参考。

　　

水稻单倍体育种技术是现代农业育种的重要突破口，能大幅缩短育种周期。然而当前主流基于精子功能障碍的诱导系统（如OsMATL）存在基因型依赖性强的缺陷，而着丝粒介导的染色体消除机制在玉米、拟南芥等作物中已展现普适性优势。但这一策略在水稻中尚未取得突破，关键科学问题在于：OsCENH3基因编辑能否触发有效的染色体消除？其不同功能域突变会产生何种生物学效应？

华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心的研究人员开展了系统性研究。通过构建6类OsCENH3突变体，发现尾域缺失突变可诱导低频率（<1%）非整倍体，但胚胎/胚乳败育率高达8.43%，表明多数染色体异常导致早期致死。相关成果发表在《Plant Cell Reports》，揭示了OsCENH3编辑在水稻单倍体诱导中的局限性，为优化着丝粒工程策略提供了重要依据。

研究采用CRISPR/Cas9靶向编辑OsCENH3编码区和启动子区，构建GFP-tailswap互补载体；通过流式细胞术(FCM)检测杂交后代DNA含量；结合qRT-PCR分析突变体时空表达模式；利用SWISS-MODEL预测蛋白结构变化；统计花粉育性及农艺性状。实验材料选用粳稻品种日本晴(NIP)及其突变体杂交后代。

OsCENH3突变体构建与表征

设计9个gRNA靶向尾域、HFD域及启动子区，获得713株T₀代转基因植株。筛选出6个代表性纯合突变体：C1-1（尾域3bp缺失）、C1-5（尾域36bp缺失）显示α-螺旋位移；C1-7（HFD域6bp缺失）导致三螺旋结构简化为双螺旋；启动子突变体C2-1/C2-2破坏TATA-box/CAAT-box；互补系C3-7含GFP-OsH3.3尾域融合蛋白。

表达模式与农艺性状

ePlant数据库显示OsCENH3在分生组织高表达。qRT-PCR揭示：HFD突变体C1-7在幼穗中表达量降低67%（P<0.01）；启动子突变使转录水平普遍下降；GFP-tailswap在种子中特异性高表达。所有突变体株高降低10-15cm，花粉育性下降30-50%，其中C1-5自交结实率仅64.61%。

单倍体诱导能力评估

128-149株杂交后代FCM检测显示：C1-1×WT和C1-5×WT组合分别产生1株非整倍体（0.78%和0.67%），表现为株型矮化、花粉育性降低。胚胎败育率（2.13-8.43%）显著高于非整倍体发生率，表明染色体不稳定性主要导致合子致死。

该研究首次证实水稻OsCENH3尾域编辑可诱发染色体分离错误，但单倍体诱导效率远低于拟南芥（25-45%）和小麦（7%）。这种物种差异可能源于着丝粒竞争强度或表观调控网络的差异。研究为优化"着丝粒驱动"单倍体诱导系统提供了关键参数：尾域缺失规模（36bp优于3bp）、HFD域编辑的致死风险、以及GFP标签对功能互补的干扰。未来需结合遗传背景优化和多重基因组编辑策略，才能突破水稻单倍体诱导的技术瓶颈。