Cell Research | 湖南农业大学联合香港浸会大学克隆首个水稻温敏雌性不育基因

雄性不育使杂交作物育种能够提高产量并已被广泛研究。但温敏雌性不育是一种理想的特性，可以在杂交水稻制种中实现全机械化，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，报道了一个自然突变的水稻温敏雌性不育材料，克隆了首个水稻温敏雌性不育基因，并解析了由其介导的温敏雌性不育调控的新机制。

该研究将自发性温敏雌性不育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等位基因赋予了温敏性雌性不育性。此外，田间试验证实了tfs1作为恢复系在杂交水稻制种中的实用性。

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，温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)。

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。

香港浸会大学/香港中文大學農業生物技術國家重點實驗室博士后李浩轩博士为论文第一作者，香港浸会大学张建华教授和王冠群博士、湖南农业大学叶能辉教授、加州大学陈雪梅教授。加州大学尤辰江博士（现就职于复旦大学）、日本农研机构Manabu Yoshikawa博士、山东农业大学杨晓玉教授、广东农业科学院李传国研究员和顾海永副研究员、深圳大学崔洁助理教授也参与了此项研究。该研究获得国家自然科学基金NSFC31971924（叶能辉）、香港研究资助局项目GRF14122415（张建华）和日本JSPS科研费（18H02380）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41422-022-00711-0

图文来源：湖南农业大学农学院官网

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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