PBJ | 广州大学李美娜和吉林省农科院张春宝团队合作克隆大豆核不育基因MS2，揭示其分子机制及潜在应用价值

大豆是重要的粮油饲兼用作物，在国民消费需求中占据重要地位。近年来，我国进口大豆占总消费需求的比重超过80%。粮食安全关乎国家稳定和长治久安，提高大豆产量，降低进口依赖程度，具有重要现实意义。杂种优势利用是提高大豆单产的有效途径之一。第一代“三系”法杂交育种系统受品种资源利用率低，高配合力、高不育率、高异交率不育系少等限制，无法充分发挥杂交大豆优势潜力。基于核不育基因的第三代杂交育种技术可以克服上述弊端，有望助推杂交大豆产业化进程。前人研究发现，MS2同其它稳定核不育基因相比，其突变体败育稳定且具有较高异交率，然而其候选基因及调控雄性育性机制，目前尚不清楚。

近日，广州大学李美娜教授联合吉林省农业科学院张春宝研究员团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Natural variation of MS2 confers male fertility and drives hybrid breeding in soybean”的研究论文，克隆并揭示了MS2调控大豆雄性育性的分子机制。

该研究以雄性不育突变体ms2和吉林本地品种吉林16（JL16）为亲本构建回交群体，将来源于同一BC5F1后代的表型为可育和不育的近等基因系材料分别命名为NIL-MS2/JL16和NIL-ms2/JL16。对比两组材料表型，发现NIL-ms2/JL16具有明显不育特征，其在成熟阶段，仍保持有不发育的小肉荚（图1）。在小孢子发生阶段，NIL-ms2/JL16的小孢子停留在四分体时期，并不继续发育，之后慢慢降解。导致在花粉粒成熟阶段，NIL-ms2/JL16并无花粉粒释放（图1）。

利用BC5F2和BC5F3群体对候选基因进行了精细定位，最后将候选基因定位在19-kb范围内（图2）。在目标区间内只有一个候选基因，编号为Glyma.10G281800（MS2），该基因编码一个bHLH转录因子。NIL-ms2/JL16目标基因（MS2）第3外显子C端的15 bp及相邻的第3内含子N端的159 bp序列被新的16 bp的序列所替换，造成剪切位点缺失，导致转录后缺少第3外显子，氨基酸翻译提前终止于102位（图2）。

运用CRISPR-Cas9技术创制了MS2敲除突变体，验证了MS2调控雄性育性的功能。结合RNA-seq和ChIP-seq实验，对MS2调控的靶基因进行分析，进一步利用EMSA和Luciferase实验，验证了MS2对核心元件G-box的结合能力。综合分析结果，鉴定了bHLH转录因子MS2调控大豆雄性育性的三条生物学通路（图3）。

该研究比较了同一遗传背景的核不育突变体的异交结实率，发现ms2的单株荚粒数最高（图3）。进一步明确了ms2突变体在第三代杂交育种系统中的应用，将具有较高的应用价值，为大豆杂种优势高效利用提供了重要的遗传资源。

广州大学李美娜教授、吉林省农业科学院张春宝研究员和广州大学孔凡江教授为本文共同通讯作者。广州大学博士后方小龙、硕士研究生冯湘池、孙小媛，吉林省农业科学院杨向东研究员和中国水稻研究所李清博士为该文共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划（2021YFF1001201）、国家大豆产业技术体系（CARS-04）、国家自然科学基金和中国博士后基金的项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14133

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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