发现一新型水稻细胞质雄性不育和育性恢复系统
近日，华中农业大学张启发院士和欧阳亦聃教授团队联合中国种子集团生命科学技术中心周发松研究员在国际期刊PNAS在线发表了题为Fujian cytoplasmic male sterility and the fertility restorer gene OsRf19 provide a promising breeding system for hybrid rice的最新成果。该研究克隆了水稻CMS-FA型细胞质雄性不育的不育基因FA182和恢复基因OsRf19，初步解析了OsRf19恢复育性的机理，并通过育种应用证明了水稻CMS-FA/OsRf19系统具有重要的育种应用价值。
植物细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）指由细胞质基因引起的雄性生殖器官不能产生有功能花粉的现象，是一种母性遗传性状。目前在很多种植物中都报道了细胞质雄性不育，大都由线粒体不育基因和细胞核恢复基因（Restorer of fertility，Rf）共同调控；细胞质线粒体基因导致雄性不育，而细胞核恢复基因使不育系恢复育性。
CMS/Rf为杂种优势利用提供了实用的工具，已被广泛应用于多种作物杂交种子的商业生产中；该体系也为研究植物线粒体-细胞核相互作用和共同进化提供了极好的模型。自上世纪70年代以来，以水稻雄性不育系、保持系和恢复系为基础的三系杂交稻突破了自花授粉作物杂种优势利用的技术瓶颈，为世界的粮食生产做出了突出贡献。但是现有的水稻细胞质雄性不育类型往往存在育性不稳定、育性恢复不彻底、以及两位点模式的恢复基因影响育种效率等问题。
CMS-FA/OsRf19是由福建农林大学王乃元教授发现和建立的杂交稻育种体系，其雄性不育性来自于福建的野生稻，为孢子体不育，败育性彻底，单基因恢复且恢复力强。王乃元教授已用这个体系培育出多个优良杂交稻组合。以此为基础，本文发表的研究工作克隆了雄性不育基因和恢复基因，并进行了作用机理分析。
为了找到导致雄性不育的细胞质基因，研究人员对不育系的线粒体基因组进行了测序，通过与多个水稻线粒体基因组进行比对分析，发现了一个部分序列与高粱线粒体基因组序列同源的嵌合基因FA182，将其转化水稻导致雄性不育，该基因还可抑制大肠杆菌的生长。
研究人员通过遗传分析将恢复基因OsRf19定位在水稻第10染色体上35 kb的范围内，并在这个区间内预测到四个编码PPR类蛋白的基因，随后通过遗传转化和CRISPR/Cas9突变证实了OsRf19控制水稻CMS-FA的育性恢复。进一步研究表明恢复基因OsRF19蛋白通过剪切不育基因FA182的转录本以极大地降低其含量从而恢复育性；在花药中恢复基因OsRf19能够降低不育基因90%的转录本含量。研究人员利用多个已测序的野生稻和栽培稻的基因组数据进行了OsRf19的演化分析，发现OsRf19为一个PPR基因簇成员，与已经克隆的水稻恢复基因Rf1a/Rf5来自于一个共同的祖先。
为展示CMS-FA/OsRf19系统的应用前景，该研究用CMS-FA不育胞质和OsRf19恢复基因培育了多个不育系和恢复系，配制了杂交稻组合。田间试验表明所配制的杂交稻具有优良的农艺性状和产量表现。该研究所展示的单个基因OsRf19能完全恢复不育系的育性这一结果，为杂交稻的培育提供了理论基础和基因资源，具有重要的应用前景。
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张启发教授、欧阳亦聃教授和中国种子集团生命科学技术中心周发松研究员为该论文通讯作者。华中农业大学博士后蒋海潮为该论文第一作者。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208759119
在重金属污染影响昆虫嗅觉方面取得新进展
近日，华中农业大学植物科学技术学院王满囷教授带领昆虫化学生态学团队在Environmental Science & Technology发表题为“Sublethal Exposure to Cadmium Induces Chemosensory Dysfunction in Fire Ants”的研究论文。该研究阐明了重金属镉（Cd）污染对入侵害虫红火蚁嗅觉识别的影响，揭示了Cd污染诱导红火蚁嗅觉功能紊乱的分子机制。
红火蚁（Solenopsis invicta Buren）是世界自然保护联盟（IUCN）收录的全球100种最具破坏力的入侵物种之一。自2003年在我国台湾省首次发现红火蚁入侵以来，该害虫不断向北扩散蔓延。目前，红火蚁已入侵华南、华东、华中及西南的12个省区，对当地农林业生产、人畜安全和生物多样性造成严重威胁。红火蚁疫情监测是科学防控的基础。基于嗅觉识别的诱饵诱集技术是当前红火蚁种群监测的主要手段。红火蚁是社会性昆虫，蚁群具有土栖、杂食和局域性利用资源等特点，容易因环境污染物的富集干扰其生理过程和社会行为。
Cd被认为是动物的嗅觉毒剂，但Cd影响动物嗅觉功能的分子机制目前尚不清楚。团队前期研究证实，Cd能沿食物链在红火蚁蚁群中富集，Cd暴露改变了红火蚁工蚁气味结合蛋白（SiOBPs）的表达模式，同时干扰了红火蚁对报警信息素及追踪信息素等多种功能信息物质的识别（Yang et al., 2021, Environmental Pollution；Zhou et al., 2022, Journal of Pest Science）。为进一步研究Cd污染影响红火蚁嗅觉识别的分子机制，本研究在前期工作的基础上，发现红火蚁工蚁摄食低剂量Cd即可导致SiOBP7基因表达显著下调，而SiOBP15基因表达显著上调，Western blot和免疫组化结果表明长期摄食Cd能够诱导SiOBP15蛋白在红火蚁工蚁触角感器上调表达。
Cd暴露诱导SiOBP15蛋白在红火蚁工蚁触角感器表达
研究人员进一步分析了SiOBP7和SiOBP15蛋白与22种红火蚁食物源气味分子的结合特性，发现SiOBP7与SiOBP15蛋白与柠檬烯（limonene）、壬醛（nonanal）及2,4,6-三甲基吡啶（2,4,6-trimethylpyridine）均具有较强的结合能力。同时，SiOBP15蛋白与正十一烷（undecane）也具有较强的结合能力。利用上述气味分子进行电生理及行为学验证，发现未经Cd暴露的红火蚁工蚁对柠檬烯、壬醛及2,4,6-三甲基吡啶具有强烈的触角电位及行为反应，而对正十一烷无明显反应。然而，摄食Cd抑制了工蚁对上述3种活性物质的触角电位及行为反应，而诱导了工蚁对正十一烷的电生理及行为反应。进一步干扰SiOBP7和SiOBP15发现，工蚁对壬醛及正十一烷的行为活性显著降低，这些结果表明Cd污染抑制SiOBP7而诱导SiOBP15表达是导致红火蚁工蚁对食物源气味分子行为反应变化的重要原因。研究结果揭示了Cd污染影响红火蚁嗅觉识别的机制，为重金属污染地区红火蚁种群科学监测技术的研制提供了新的思路，同时为揭示红火蚁入侵的生态适应机制奠定了理论基础。
Cd污染改变红火蚁工蚁触角OBPs表达干扰其对气味分子的识别
植物科学技术学院2019级硕士研究生杨复香为论文第一作者，周爱明副教授为论文通讯作者。硕士生张国庆、刘锦龙，博士生段双刚，华中农业大学王满囷教授，华南农业大学陆永跃教授和中国热科院环境与植物保护研究所李磊副研究员参与了该项研究。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.est.2c03108
揭示棉花愈伤细胞命运调控新机制
近日，华中农业大学棉花遗传改良创新团队研究成果以“GhTCE1-GhTCEE1 dimers regulate transcriptional reprogramming during wound-induced callus formation in cotton”为题在The Plant Cell发表。研究揭示了bHLH转录因子GhTCE1与同源转录因子GhTCEE1互作协同调控棉花愈伤组织细胞的生长发育，为体细胞胚胎胚发生过程中细胞命运重塑提供了新见解。
当植物受到机械损伤后，受伤部位的可塑性发育过程对其伤口修复和环境适应具有重要意义。具体表现为受伤部位的体细胞可以脱分化形成愈伤组织，封闭伤口防止感染；也可以从头进行器官发生，如形成不定根等；还可以通过组织培养过程，诱导体细胞胚胎发生（SE）。植物是如何在分子水平上决定细胞脱分化和再分化的命运转换一直以来备受关注。
实验室前期通过棉花细胞胚胎发生（SE）过程中的RNA-Seq分析，鉴定到一个在SE早期阶段被强烈诱导表达的转录因子GhTCE1。该研究发现GhTCE1干涉系（Ri1,Ri2）和突变体（ko15和ko18）在下胚轴组织培养过程中与野生型相比，愈伤细胞增殖和生长严重受阻且产生大量不定根，而超表达系（OE1,OE3）相反。通过对愈伤细胞的生化分析和转录组测序表明GhTCE1主要参与了甾醇合成、细胞壁修饰、细胞扩张、ROS稳态及脂质转移并鉴定到29个潜在下游靶标，而激素信号途经不受影响。
鉴于大量GhLTPs富集在候选靶标中，本研究选取了其中在SE过程中高量表达的GhLTP2/3， 通过酵母单杂、LUC、EMSA及ChIP-qPCR等实验证实GhTCE1可以结合在GhLTP2/3启动子E-box（CANNTG）上激活其转录。
此外，本研究也通过遗传学实验证实了GhLTP2和GhLTP3具有与GhTCE1类似的功能。同时，通过活性氧清除实验表明降低活性氧的积累可以有效恢复愈伤组织的增值，促进细胞的伸长并降低不定根的发生。这些结果表明GhTCE1-GhLTP2/3通过调节ROS动态平衡对愈伤细胞发育和命运决定发挥重要作用。
通过对早期愈伤组织cDNA酵母文库进行筛选，鉴定到10个GhTCE1候选互作蛋白。BiFC证实GhTCE1与GhTCEE1互作，且在早期愈伤诱导中呈现共表达模式。进一步通过LUC实验证实GhTCEE1增强了GhTCE1对下游靶标GhLTP2/3的激活能力。
该研究结果发现GhTCE1-GhTCEE1互作模块作为分子开关协同调控GhLTPs和ROS稳态控制无组织愈伤细胞增殖和有组织器官发育之间的命运转换，为研究创伤诱导的愈伤组织早期细胞命运转变提供了重要见解，对揭示分化状态的植物体细胞转变为全能细胞并最终形成胚胎的命运重塑机制有着重要意义。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良创新团队已毕业博士邓晋武（现就职于中国农业科学院油料作物研究所）和博士后孙伟男为论文共同第一作者，团队杨细燕教授、英国杜伦大学Keith Lindesy教授和塔里木大学何良荣教授为论文共同通讯作者，团队学术带头人张献龙教授参与了该研究的设计和指导。
论文链接:
https://doi.org/10.1093/plcell/koac252
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