遗传发育所李云海研究组等合作揭示水稻温敏雄性不育调控的重要机制

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杂交水稻的三系系统（细胞质雄性不育系、恢复系和保持系）和两系系统（温敏核雄性不育系[TGMS]/光敏核雄性不育系和恢复系）被广泛用于杂交水稻育种。TGMS水稻表现为高温不育、低温可育的表型，在两系育种中也可以作为保持系，从而大大降低了种子生产成本。考虑到大部分品种可以恢复TGMS系的育性，在杂交水稻育种中，两系育种比三系育种可利用更广泛的遗传资源。因此，光温敏雄性不育系对我国两系杂交稻育种意义重大而深远。与此同时，高温是造成农作物减产的重要原因之一，研究植物如何感知并响应温度的分子机制，不但可以丰富人们对植物适应环境的认识，而且对将来培育耐高温作物具有重要意义。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李云海团队与海南大学罗越华教授、衡农S不育系的育成者周庭波教授以及北京大学安成才教授合作发现了水稻温敏不育调控的重要分子机制。该研究发现籼稻TGMS系Tian1S在高温下表现出雄性不育，但在低温下表现出正常的育性，与日长无关。通过遗传分析表明，温敏雄性不育表型由细胞核单个隐性基因OsMS1wenmin1控制。进一步研究发现，高温下OsMS1wenmin1赋予籼粳和粳稻品种温敏不育表型。有意思的是野生型的OsMS1定位于细胞核中，而OsMS1wenmin1定位于细胞质和细胞核中，表明OsMS1保守的L301P的突变影响其亚细胞定位。该研究进一步发现温度调控OsMS1和OsMS1wenmin1的丰度，并且OsMS1wenmin1比OsMS1对温度变化更敏感。在低温条件下，野生型OsMS1和OsMS1wenmin1等位基因分别编码适当水平的OsMS1和OsMS1wenmin1蛋白以保持正常的花粉发育，尽管含有OsMS1wenmin1等位基因的水稻材料中OsMS1wenmin1的水平在细胞核中低于野生型OsMS1。OsMS1和OsMS1wenmin1与转录因子TDR相互作用以激活下游基因的表达，从而产生可育花粉。在高温条件下，OsMS1蛋白的丰度下降，但细胞核中仍有足够的OsMS1蛋白与TDR相互作用以激活下游基因的表达，从而产生可育花粉。相反，高温大大降低了OsMS1wenmin1蛋白水平，因此细胞核中没有足够的OsMS1wenmin1蛋白与TDR相互作用，导致下游基因表达急剧下降并形成不育花粉。

该研究揭示了温度调控OsMS1蛋白丰度的一种新机制，有意思的是L301P的突变，导致OsMS1wenmin1对温度响应更为敏感，进而导致高温不育的表型。值得注意的是，不同物种中OsMS1高度保守。因此，本研究发现为进一步阐明温度调控水稻育性转换的分子机制，指导两系杂交稻育种，乃至在其它作物中创制新的温敏不育系具有深远的意义。

该项研究成果以题为“A natural allele of OsMS1 responds to temperature changes and confers thermosensitive genic male sterility”于4月19日在线发表于 Nature Communications 杂志(DOI:10.1038/s41467-022-29648-z)。李云海研究组联合培养博士生吴伦英和客座博士后景晓辉为该论文的共同第一作者，李云海研究员、罗越华教授、安成才教授为共同通讯作者。该项研究得到了中科院先导专项等项目的资助。

图：wenmin1调控水稻温敏不育的作用模型

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29648-z