克隆出首个水稻显性雄性不育基因
雄性不育是植物界广泛存在的现象。根据引发显性不育的基因所处位置可以分为细胞质雄性不育与细胞核雄性不育，细胞质雄性不育由位于细胞质内（大多位于线粒体基因组）的不育基因和位于细胞核内的恢复基因共同调控；细胞核雄性不育则由细胞核内的不育基因调控。根据调控基因的显隐性又可以分为显性核不育与隐性核不育。雄性不育虽然对植物本身有害，但是雄性不育系的利用为作物杂交品种的培育和生产提供了重要的工具。其中细胞质雄性不育和环境敏感型隐性雄性不育被广泛应用于自花授粉作物的杂交育种，极大地推动了作物杂种优势利用和全球作物产量的提升。
显性雄性核不育系是一类在自然界极为稀少的种质资源。其特点是在基因型杂合的状态下表现出稳定的不育性，任何可育品种与其杂交F1代可分离出等比例的可育株和不育株，其中不育株可以继续作为不育系用于杂交，而可育株可以正常结实用于下一步研究或育种，这些遗传特性让显性雄性核不育系在杂交育种和遗传研究中显现出特别的优势。但是迄今为止，尚没有任何一例调控水稻显性核不育的基因被克隆。
8月7日，National Science Review在线发表了华中农业大学水稻团队与福建省三明市农业科学院合作的研究论文，题为“Spontaneous movement of a retrotransposon generated genic dominant male sterility providing a useful tool for rice breeding”。该研究克隆了水稻三明显性雄性核不育基因SDGMS，阐述了其调控水稻雄性不育的机制，揭示了显性雄性核不育基因的起源过程，并提出了育种应用的新策略。
早在2001年，福建省三明市农业科学研究院发现了三明显性核不育的自然突变株，该突变株不育性稳定彻底，柱头外露好，雌性育性不受影响，具有巨大的应用价值。利用这一遗传材料，研究团队构建了三种不同遗传背景的近等基因系，在武汉和海南种植均表现出稳定不育性，育性不受日照长度及其他环境因子的影响。花药石蜡切片表明不育花药的绒毡层、中层、花药内壁不能正常降解，花药绒毡层细胞提前发生了剧烈的程序性的细胞死亡PCD（Programed cell death），导致了雄性不育的产生。
在精细定位和图位克隆的基础上对显性雄性核不育的定位区间进行了比较基因组和表达分析，发现在不育单株中位于第8 染色体的SDGMS基因上游有一个LTR类反转录转座子的插入。大量基因组数据分析表明，这个反转录转座子原本仅存于个别水稻品种的第2染色体，推测是在品种选育的过程中被偶然激活后跳跃到水稻第8染色体。该反转录转座子插入到新位点后同时作为启动子和增强子，驱动SDGMS在花药绒毡层特异表达，引起显性雄性不育；而可育单株的sdgms基因仅有极低的表达量。在可育单株中转入同时含该基因的启动子、LTR类反转录转座子和SDGMS三个元件的构建载体可导致显性雄性不育；而在不育单株中敲除SDGMS能够使育性恢复。
进一步研究表明SDGMS编码一个典型的核糖体失活蛋白（Ribosome inactivating protein），能够在翻译水平抑制蛋白质的合成。其结果，不育株的花药在减数分裂时期产生防卫反应，使与生物胁迫应答和防御相关基因的表达发生上调，而与蛋白质泛素化降解途径相关基因以及参与调控绒毡层PCD基因的表达下调，从而引发绒毡层发生超敏反应而产生剧烈PCD，导致雄性不育。另外，超量表达sdgms/SDGMS可使水稻植株对稻瘟病抗性上升，也证明SDGMS/sdgms的表达能够激活防御响应。
综上所述，该研究克隆了水稻第一例显性雄性核不育的基因SDGMS，也首次发现核糖体失活蛋白参与调控水稻发育和抗性的平衡，为理解转座元件在基因组和表型演化中的作用提供了新的视角，同时也为水稻三明显性核不育种质资源的进一步应用奠定了基础。显性雄性核不育基因的利用有望在水稻杂交育种和遗传研究中免除去雄，从而大规模地节省人力物力，同时还有望引发出新的育种模式。
SDGMS导致显性雄性核不育的作用机理
该基因与南京农业大学万建民院士团队8月8日报道的Dms1基因（Plant Biotechnology Journal）为同一基因。
华中农业大学博士研究生徐聪昊为论文第一作者，福建省三明市农业科学研究院黄显波研究员、华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室欧阳亦聃教授和张启发院士为论文共同通讯作者。福建省农业科学院水稻研究所赵明富研究员参与了指导和研究工作。
论文链接:
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad210
在多功能金属有机骨架材料研究中取得新进展
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院精准兽药创制与环境消减技术开发团队设计了具有核壳结构和硫掺杂特征的多功能金属有机骨架材料，实现了对抗菌药物的高效吸附和协同降解。相关成果以“S-doped core-shell heterojunction Fenton catalyst (Fe3O4-S@PVP@UIO-66-(SH)2) for enhanced activation of hydroxyl radical: synergistic enrichment and degradation mechanism”为题发表在Chemical Engineering Journal上。本研究通过在四氧化三铁团簇内外同时生长巯基化锆基金属有机骨架，构建了具有高效吸附性和过氧化氢活化性能的多相芬顿催化纳米材料，同时结合理论计算与试验结果系统地探究了引入非金属克服铁活性位点失活的机制。
环境中残留的抗菌药物通过在食物链中的生物积累和生物放大作用，对人类和动物健康以及生态环境安全构成严重威胁。因此，研究快速高效从水环境中去除抗菌药物的技术具有重要的现实意义和科学价值。将传统高效的吸附技术与基于过氧化氢的高级氧化工艺相结合，是去除难降解抗菌药物的有效方法。在芬顿氧化工艺中，催化剂活化过氧化氢生成活性氧的速率以及活性氧的利用效率是影响环境中抗菌药物去除效率的两个关键因素。协同吸附和高级氧化工艺能实现快速富集污染物，同时减少因活性氧与污染物的长距离迁移而导致的失活，显著提高活性氧的利用效率。
为此，本研究设计了一种硫掺杂核壳状异质结多相芬顿催化剂。位于壳层上的巯基化锆基金属有机骨架材料可以富集抗菌药物，缩短活性氧与污染物的迁移距离，固定在材料表面的低价态硫可以还原溶液中存在的三价铁离子。位于核内的四氧化三铁纳米粒提供了铁催化活性位点，在核内掺杂非金属硫元素可以增强铁活性位点的催化性能，实现活性氧的高效产生。同时，巯基化锆基金属有机骨架材料的包裹可以保证硫掺杂核壳状异质结多相芬顿催化剂的稳定性，减少铁的泄漏，四氧化三铁的顺磁性有助于反应后催化剂的高效回收。此外，本研究还利用密度泛函理论阐明了抗菌药物吸附和降解机理。本研究为非金属元素在芬顿体系中的应用提供了新的思路和科学的理论参考，并为多相芬顿催化剂的构建提供了新的策略。
华中农业大学动科动医学院本科生李定堂为本论文第一作者，陈冬梅教授和谢书宇教授为论文共同通讯作者，课题组多位同学共同参与。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144962
在油菜氮素再利用研究中取得新进展
近日，华中农业大学资源与环境学院植物营养生物学团队研究成果“The transcription factor BnaA9.WRKY47 coordinates leaf senescence and nitrogen remobilization in Brassica napus”在植物学杂志Journal of Experimental Botany上发表。
甘蓝型油菜根系吸收的总氮中，大约48%从营养组织回收到成熟的种子中，另外大约15%的氮因落叶而损失。因此，改善衰老叶片中的氮素回收，提高氮素再利用效率十分重要。研究发现，BnaA9.WRKY47超表达植株表现出叶片提前衰老，叶绿体降解的表型。BnaA9.WRKY47超表达株系的籽粒产量较野生型显著提高；相反，BnaA9.WRKY47功能缺失突变体的产量降低。
通过生化实验分析，研究团队发现BnaA9.WRKY47直接激活持绿基因BnaC7.SGR1以加速老叶黄化衰老。研究表明伴随着缺氮诱导的叶片衰老，超表达株系老叶中氨基酸浓度升高，氮素再分配能力提高。同时BnaA9.WRKY47能够协同激活氨基酸渗透酶BnaA9.AAP1和硝酸盐转运蛋白BnaA2.NTR1.7。因此，研究团队提出缺氮胁迫下油菜提高氮素再利用理论模型：缺氮上调老叶BnaA9.WRKY47基因的表达，增加老叶中BnaA9.WRKY47蛋白丰度，BnaA9.WRKY47上调了BnaC7.SGR1、BnaA2.NRT1.7和BnaA9.AAP1的表达，从而促进了甘蓝型油菜老叶的衰老以及氮素向新生组织或种子的再转运，有利于缺氮胁迫下油菜达到养分资源配置最大化。
图1 BnaA9.WRKY47调控甘蓝型油菜响应氮饥饿的工作模型
华中农业大学植物营养生物学团队博士研究生崔蕊为论文第一作者，徐芳森教授和汪社亮副教授为共同通讯作者，华中农业大学石磊教授、已毕业博士冯英娜和硕士研究生姚金亮也参与了该项研究。
论文链接：
https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erad282/7227263
开发的 CRISPR/Cas12b基因编辑工具获得专利授权
基因编辑作为一种精准高效的对遗传操作技术，是功能基因组研究和农业生物育种的重要手段。基因编辑技术可以通过修改靶向DNA的序列来实现对特定基因的精准突变（修饰）。
基因编辑主要包括ZFN、TALEN和CRIPSR/Cas 三大系统，其中CRISPR/Cas9是当前最常用的编辑系统，具有高效率、高精准性，便捷性等特点。随着基因编辑技术在更加复杂基因组物种（同源、异源多倍体物种） 中的广泛利用，对基因编辑技术提出了更高的要求：比如对同源拷贝的高效、低脱靶编辑，更多PAM位点选择以及诱导型编辑等。另外，CRIPSR/Cas9基因编辑核心技术受控于国外专利，如果要运用这项技术进行商业化产品开发，就存在“卡脖子”的风险，因此突破国外基因编辑技术壁垒，已经成为我国生物学基础研究和生物育种急需突破的瓶颈。
图1. CRISPR/Cas12b 系统介导的棉花基因编辑（王琼琼，金双侠，张献龙等. 2020, Plant Biotechnology Journal）
近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花团队开发的一种热诱导的基因编辑系统CRISPR/Cas12b获得了中国国家知识产权局的专利授权。国家知识产权局官方网站的信息检索结果显示：本专利是我国获批的第一个CRISPR/Cas12b基因编辑工具在高等植物中开发利用的授权专利，也是继中国农大开发的Cas12i 和Cas12j后，又一把我国自主研发的“基因剪刀”，有效地弥补了我国在基因编辑核心底盘工具开发领域的不足。棉花团队对本专利中的CRISPR/Cas12b系统进行了植物特有密码子优化、以及植物内源强启动子的筛选鉴定等技术创新提高了该系统在植物细胞中的编辑效率。相比CRIPSR/Cas9系统，CRISPR/Cas12b拓展了所识别的PAM序列，识别富含T的PAM。
同时该系统具有热诱导活性，Cas12b蛋白在42-45℃条件下具有较高的靶向DNA酶切活性，能够在棉花细胞中产生有效的基因编辑（以9-23 bp长片段删除为主要编辑类型），而在35℃以下的活性则较低，这样就赋予了CRISPR/Cas12b只需要在短暂高温诱导的情况下就会产生基因编辑的特性。因此，可以利用这种可诱导编辑的特性在植物细胞基因组上建立一个“分子开关”：在需要编辑的时候，可以给予植物细胞短暂的“热激活处理” 实现靶向精准编辑；而当细胞生长温度恢复到常温（25-30℃）时，该系统处于“静默状态”，能够有效减少CRIPSR/Cas12b 激发状态时的能量代谢消耗并降低脱靶的可能性。经过大规模检测，CRISPR/Cas12b在棉花细胞中没有产生脱靶具有极高精准性。由于棉花属于耐热作物，与Cas12b的酶活特性十分契合。因此CRISPR/Cas12b在棉花及其它夏季作物中具有非常广泛的应用前景。
CRISPR/Cas12b系统在棉花中的成功开发应用，拓展了基因编辑技术的使用范围，为进一步打破国外的技术壁垒迈出了重要的一步。
这是棉花团队近年来开发的第9套基因编辑工具，此前该团队开发了CRISPR/ Cas9, Cas12a, Cas13a, 13b , 13d, CBE, ABE（碱基编辑器）, dCas9-TV（转录激活）等系统，能够实现靶向基因敲除、敲入、敲低、敲高及单碱基突变，在Advanced Science, Plant Biotechnolgy Journal, Plant Communications, Trends in Plant Science等杂志发表了15篇基因编辑工具开发论文，开发的基因编辑系列工具被国内外200多家实验室引进。展望未来，CRISPR/Cas12b等工具的成功开发应用将为我国生物育种产业发展提供新的关键底盘技术，凝心聚力打好种业翻身仗。
来源：华中农业大学官方微信（微信号：hzau_news_center）
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