CR（IF=46）| 为杂交育种全机械化奠定基础！王冠群/张建华/叶能辉/陈雪梅发现了水稻自发热敏雌性不育突变

雄性不育使杂交作物育种能够提高产量并已被广泛研究。但热敏雌性不育是一种理想的特性，可以在杂交水稻育种中实现全机械化，但由于缺乏这种种质，很少有人研究它。

2022年9月6日，香港浸会大学/香港中文大学王冠群，张建华，湖南农业大学叶能辉及加州大学河滨分校陈雪梅共同通讯在Cell Research （IF=46）在线发表题为“A spontaneous thermo-sensitive female sterility mutation in rice enables fully mechanized hybrid breeding”的研究论文，该研究将自发性热敏雌性不育 1 (tfs1) 突变鉴定为 ARGONAUTE7 (AGO7) 中的点突变，该突变在常规/高温下赋予完全不育，在低温下赋予部分生育力。 AGO7 与 miR390 结合形成 RNA 诱导的沉默复合物 (RISC)，其通过将基因沉默抑制因子 (SGS3) 和 RNA 依赖的 RNA 聚合酶 6 (RDR6) 募集到 TAS3 转录物来触发来自 TRANS-ACTING3 (TAS3) 基因座的小干扰 RNA (siRNA) 的生物发生。这些 siRNA 被称为 tasiR-ARF，因为它们反式作用以抑制生长素反应因子基因。

突变 TFS1 (mTFS1) 蛋白在 RISC 形成过程中加载 miR390/miR390* 双链体和弹出 miR390* 的能力受到损害。此外，由于 mTFS1 RISC 在常规/高温下缺乏 RDR6 而不是 SGS3 募集，tfs1 中的 tasR-ARF 水平降低，而低温部分恢复了 mTFS1 在 RDR6 募集和 tasiR-ARF 生物发生中的功能。miR390 突变体也表现出雌性不育，表明雌性生育力受 miR390-AGO7 模块控制。值得注意的是，引入各种优良水稻品种的 tfs1 等位基因赋予了热敏性雌性不育性。此外，田间试验证实了 tfs1 作为恢复系在杂交水稻综育中的实用性。

杂种优势或杂交优势已被广泛用于提高水稻生产力。可以使用三系或两系方案生产杂交水稻种子。在杂交种子生产过程中，使用恢复系作为花粉供体。然而，杂交育种系统存在内在问题。由于恢复系必须为杂交提供足够的花粉，因此需要在雄性不育系附近生长。为了避免自种种子污染杂交种子，在机械收获杂交种子之前，需要人工将自种种子从恢复系中去除，从而阻碍了农业实践中的全面机械化。从理论上讲，热敏雌性不育系是理想的恢复系，可作为雄性不育系的花粉供体以产生杂交种子。然而，这种种质在自然界中仍然很少见。在植物中，由 Dicer 样 (DCL) 蛋白产生的包括 microRNA (miRNA) 和小干扰 RNA (siRNA) 在内的小 RNA 与 Argonaute (AGO) 家族蛋白结合，导致转录后或转录基因沉默。在 miRNA 生物发生中，DCL1 对含有发夹结构的单链前体 RNA 进行加工产生 miRNA/miRNA* 双链体，这些双链体被加载到 AGO 蛋白中以形成前 RISC。另一方面，siRNA 是长双链 RNA (dsRNA) 的 DCL 产物。一种类型的内源性 siRNA 是通过长 dsRNA 的连续切割产生的，称为定相 siRNA 或 phasiRNA。某些 phasiRNA 的生物发生涉及 miRISC 触发。例如，AGO7 专门加载 miR390 以在两个位点（3' 和 5' 位点）靶向非编码 TAS3 转录物，导致它们在 3' 位点切割。AGO7 RISC与TAS3 RNA在5'位点相互作用募集SGS3，进而促进RDR6募集；TAS3 RNA 在 3' 位点的切割去除了 polyA 尾，以促进 RDR6 合成互补链。产生的 dsRNA 然后被 DCL 蛋白加工成 21-nt phasiRNA，其中一种 phasiRNA 可以反式靶向生长素反应因子 (ARF) 转录物，被称为反式作用 siRNA (tasiR-ARF)。

mTFS1分子缺陷的提出模型，它赋予水稻热敏雌性不育（图源自Cell Research ）通过抑制 ARF 家族成员，miR390 和 tasiR-ARF 调节许多发育过程，如叶片极性模式、发育时间和侧根生长。此外，miR390-TAS3-ARF 途径在陆地植物中高度保守。包括拟南芥、番茄、玉米和水稻在内的植物中的ago7 突变体显示出异常的营养发育。玉米和水稻 ago7 突变体在茎尖分生组织维持和叶片极性方面表现出强烈的缺陷，并且通常是幼苗致死的。目前尚不清楚 AGO7 是否在植物繁殖中起作用，以及其活性是否受水稻温度的调节。在这里，该研究报告了编码 AGO7 的 TFS1 基因中的一个独特的自发热敏雌性不育突变，并阐明了该突变如何响应温度以控制雌性不育 - 生育转换，而不会导致营养或雄性生殖发育的任何缺陷。田间试验进一步证实，tfs1显示出适合杂交水稻制种系统的雌性不育性状，赋予杂交育种全机械化。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00711-0

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！