Plant Physiology | 中科院分子植物卓越创新中心韩斌院士团队在野生稻中发现新的育性基因并揭示其结实率调控机制

水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，关乎国家粮食安全与社会稳定。穗结实率是决定水稻产量的主要因素之一，也是人类驯化的目标之一。野生稻的育性与结实率远低于栽培稻，但其遗传机制仍不清楚。

近日，中科院分子植物卓越创新中心韩斌院士团队在Plant Physiology在线发表了题为“A retrotransposon insertion in MUTL-HOMOLOG 1 affects wild rice seed set and cultivated rice crossover rate”的研究论文，该研究在野生稻中克隆了一个新的育性/结实率基因MLH1（MutL-homolog 1）并揭示了籼粳稻减数分裂时交叉互换率的差异。

作者在水稻品种GLA4与野生稻材料W1943的杂交群体中发现了两个结实率（panicle seed setting rate，PSSR）较低的主效QTL，对F2群体进行分析发现，PSSR1半不育表型受单隐性基因控制，随后扩大群体进行精细定位，将其缩小在第一染色体上49kb的区间内，并利用RT-qPCR分析区间内候选基因的表达模式，发现只有Loc_Os01g72880在亲本间的穗和叶片中显著差异表达（图1），该基因编码DNA错配修复蛋白MLH1。
OsMLH1功能缺失的近等基因系NIL-mlh1在营养生长期表现出正常的株形，在成熟期的结实率较低，但每穗粒数没有显著降低。虽然NIL-mlh1具有正常的花器官，但是其产生更多的败育花粉（图1）。

更深入的分析发现，花药减数分裂早期是正常的，从终变期到随后的减数分裂阶段，有几个明显的染色体缺陷（图2），NIL-mlh1最终只有约一半的小孢子正常发育。

为了确定该基因是导致突变表型的原因，作者利用OsMLH1的全基因组序列构建表达载体并转入NIL-mlh1中，发现转基因株系可以恢复NIL-mlh1的半不育表型，证明了Loc_Os01g72880（OsMLH1）就是PSSR1。

作者比较GLA4与NIL-mlh1的OsMLH1的基因组序列发现有4个多态性位点（图3），对112个材料的OsMLH1进行测序并检测他们的结实率，发现4种单倍型都表现出更高的结实率。进一步结合萤火素酶瞬时表达系统分析，发现上述4个多态性位点中只有5.4kb的插入导致OsMLH1的功能丧失和结实率降低。随后对这5.4kb的插入进行序列分析发现，该序列包含一个典型的LTR逆转座子（TE），比较3000份水稻资源加32份优质栽培稻与16份野生稻基因组序列发现，在驯化水稻中仅有该转座子的一个拷贝，但在野生稻中有1-2个拷贝。

为了阐明OsMLH1导致不育的分子机制，作者利用酵母文库筛选，发现OsMLH1的两个同源基因（OsPMS1和OsMLH3）以及OsSWIB与存在互作，OsSWIBS是染色质重塑复合体的一个亚基，亚细胞定位实验结果显示这四个基因均定位在细胞核中。酵母中的截短实验表明OsMLH1的C端与OsPMS1和OsMLH3互作，而OsMLH1与OsSWIBS之间的互作是由OsMLH1的MutL结构域介导的。进一步结合BiFc实验发现，OsPMS1和OsMLH3之间是不存在互作的，表明水稻中的三个MutL蛋白仅OsMLH1可以与其他两个MutL蛋白一起发挥关键的协调作用。

为了进一步研究在水稻中的功能，作者在粳稻材料Dongjing中对三个MutL蛋白进行敲除，发现水稻中的三个MutL基因具有不同的功能，只有MLH1和MLH3参与减数分裂重组（图4）；水稻MLH1/3突变体的减数分裂过程中的二价体比野生型少，表明由于缺少MLH1/3，减数分裂中期的交叉互换被破坏，突变体材料残留更多无法正常排列在赤道板上的交叉互换的染色体。作者猜测减数分裂过程中，籼稻的交叉互换(crossover，CO)率是高于粳稻的，并分别利用籼稻与粳稻的F2群体检测CO事件发生数量，发现每对染色体的平均CO数量与染色体长度呈正相关（图5），并估算出籼稻的平均交换率（4.92cM）是高于粳稻的（3.55cM）。

Acknowledgments

中科院分子植物卓越创新中心/安徽师范大学刘坤老师与陈二旺博士为论文共同一作，感谢中科院遗传与发育研究所程祝宽教授和上海交通大学梁婉琪研究员提出的建议与讨论，本研究得到了国家自然科学基金和中国科学院自然科学基金的资助。

原文链接

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac378/6670633

转自：“植物科学SCI”微信公众号

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