玉米CMS-S不育基因ORF355调控植物耐盐新机制

玉米S型细胞质雄性不育(CMS-S)是玉米三大不育系类型之一，可用于创制母本不育系以生产玉米杂交种子。CMS-S由线粒体编码的不育基因ORF355在小孢子发育过程中特异地大量表达所导致，可视为一类特殊的线粒体变异。在模式动物的研究中发现，受到轻度胁迫的线粒体重构基础代谢平衡，使得细胞能够耐受后续更长时间、更大强度的逆境胁迫，这一现象被称之为线粒体毒性兴奋效应(Mitohormesis)。不育基因ORF355在叶片、雌穗等非雄穗组织里也有低水平的表达，但尚不清楚其是否影响CMS-S线粒体代谢平衡以及植物的抗逆性。

JIPB近日在线发表了北京市农林科学院赵久然研究员团队和遗传所陈化榜研究员课题组合作题为“ORF355 confers enhanced salinity stress adaptability to CMS-S maize by modulating the mitochondrial metabolic homeostasis”（https://doi.org/10.1111/jipb.13382）的研究论文。该研究发现非雄穗组织低水平表达ORF355能够提高细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）含量并改变细胞内代谢平衡，激活抗氧化防御系统从而提高CMS-S玉米的耐盐性。

图. ORF355调控CMS-S玉米耐盐性的示意图

本实验研究发现在盐碱地种植条件下，CMS-S玉米比正常胞质的近等基因系玉米具有更好的生长势和更高的产量。这种耐盐性的提升与花粉败育所节省的能量无关。通过雌激素诱导表达系统控制ORF355表达量发现，低水平表达ORF355可诱导活性氧的积累，促进NAD浓度的升高并改变细胞内代谢平衡，激活细胞抗氧化防御系统，产生类似动物细胞线粒体毒性兴奋效应。而过量表达ORF355的植株对盐胁迫更敏感，表明ORF355表达量影响植物耐盐水平。代谢组学分析显示，即使在没有盐胁迫的情况下，CMS-S玉米与正常胞质的近等基因系玉米之间也存在明显差异。烟酰胺代谢，氨基酸代谢，以及半乳糖代谢相关的产物发生了显著变化。综上所述，该论文探究了线粒体不育基因ORF355通过影响细胞代谢水平增强玉米耐盐性的新机制。

赵久然团队近年来在CMS-S研究中取得了一系列进展，探索了CMS-S败育 (Xiao et al., 2020) 以及不育稳定性(Xiao et al., 2022) 等方面的分子机制。这篇论文进一步揭示了CMS-S不育系在逆境耐受性方面可能具有的重要意义。

肖森林博士和宋伟研究员为该论文共同第一作者，赵久然研究员和陈化榜研究员为共同通讯作者。研究得到了北京学者、北京市农林科学院青年基金，以及科技兴蒙项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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