植物細胞質雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)指由細胞質基因引起的雄性生殖器官不能產生有功能花粉的現象,是一種母性遺傳性狀。目前在很多種植物中都報道了細胞質雄性不育,大都由線粒體不育基因和細胞核恢復基因(Restorer of fertility,Rf)共同調控;細胞質線粒體基因導致雄性不育,而細胞核恢復基因使不育系恢復育性。CMS/Rf為雜種優勢利用提供了實用的工具,已被廣泛應用于多種作物雜交種子的商業生產中;該體系也為研究植物線粒體-細胞核相互作用和共同進化提供了極好的模型。自上世紀70年代以來,以水稻雄性不育系、保持系和恢復系為基礎的三系雜交稻突破了自花授粉作物雜種優勢利用的技術瓶頸,為世界的糧食生產做出了突出貢獻。但是現有的水稻細胞質雄性不育類型往往存在育性不穩定、育性恢復不徹底、以及兩位點模式的恢復基因影響育種效率等問題。
2022年8月15日,華中農業大學張啟發院士和歐陽亦聃教授團隊聯合中國種子集團生命科學技術中心周發松研究員在美國國家科學院院刊(PNAS)在線發表了題為Fujian cytoplasmic male sterility and the fertility restorer gene OsRf19 provide a promising breeding system for hybrid rice的最新成果。該研究克隆了水稻CMS-FA型細胞質雄性不育的不育基因FA182和恢復基因OsRf19,初步解析了OsRf19恢復育性的機理,并通過育種應用證明了水稻CMS-FA/OsRf19系統具有重要的育種應用價值。
CMS-FA/OsRf19是由福建農林大學王乃元教授發現和建立的雜交稻育種體系,其雄性不育性來自于福建的野生稻,為孢子體不育,敗育性徹底,單基因恢復且恢復力強。王乃元教授已用這個體系培育出多個優良雜交稻組合。以此為基礎,本文發表的研究工作克隆了雄性不育基因和恢復基因,并進行了作用機理分析。
為了找到導致雄性不育的細胞質基因,研究人員對不育系的線粒體基因組進行了測序,通過與多個水稻線粒體基因組進行比對分析,發現了一個部分序列與高粱線粒體基因組序列同源的嵌合基因FA182,將其轉化水稻導致雄性不育,該基因還可抑制大腸桿菌的生長。研究人員通過遺傳分析將恢復基因OsRf19定位在水稻第10染色體上35 kb的范圍內,并在這個區間內預測到四個編碼PPR類蛋白的基因,隨后通過遺傳轉化和CRISPR/Cas9突變證實了OsRf19控制水稻CMS-FA的育性恢復。進一步研究表明恢復基因OsRF19蛋白通過剪切不育基因FA182的轉錄本以極大地降低其含量從而恢復育性;在花藥中恢復基因OsRf19能夠降低不育基因90%的轉錄本含量。研究人員利用多個已測序的野生稻和栽培稻的基因組數據進行了OsRf19的演化分析,發現OsRf19為一個PPR基因簇成員,與已經克隆的水稻恢復基因Rf1a/Rf5來自于一個共同的祖先。為展示CMS-FA/OsRf19系統的應用前景,該研究用CMS-FA不育胞質和OsRf19恢復基因培育了多個不育系和恢復系,配制了雜交稻組合。田間試驗表明所配制的雜交稻具有優良的農藝性狀和產量表現。該研究所展示的單個基因OsRf19能完全恢復不育系的育性這一結果,為雜交稻的培育提供了理論基礎和基因資源,具有重要的應用前景。
華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室張啟發教授、歐陽亦聃教授和中國種子集團生命科學技術中心周發松研究員為該論文通訊作者。華中農業大學博士后蔣海潮為該論文第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金等項目資助。
【英文摘要】Cytoplasmic male sterility (CMS) determined by mitochondrial genes and restorer of fertility (Rf) controlled by nuclear-encoded genes provide the breeding systems of many hybrid crops for the utilization of heterosis. Although several CMS/Rf systems have been widely exploited in rice, hybrid breeding using these systems has encountered difficulties due to either fertility instability or complications of two-locus inheritance or both. In this work, we characterized a type of CMS, Fujian Abortive cytoplasmic male sterility (CMS-FA), with stable sporophytic male sterility and a nuclear restorer gene that completely restores hybrid fertility. CMS is caused by the chimeric open reading frame FA182 that specifically occurs in the mitochondrial genome of CMS-FA rice. The restorer gene OsRf19 encodes a pentatricopeptide repeat (PPR) protein targeted to mitochondria, where it mediates the cleavage of FA182 transcripts, thus restoring male fertility. Comparative sequence analysis revealed that OsRf19 originated through a recent duplication in wild rice relatives, sharing a common ancestor with OsRf1a/OsRf5, a fertility restorer gene for Boro II and Hong-Lian CMS. We developed six restorer lines by introgressing OsRf19 into parental lines of elite CMS-WA hybrids; hybrids produced from these lines showed equivalent or better agronomic performance relative to their counterparts based on the CMS-WA system. These results demonstrate that CMS-FA/OsRf19 provides a highly promising system for future hybrid rice breeding.
論文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208759119