杨仲南课题组揭示植物温敏育性恢复的机制

发布者：朱骏发布时间：2020-04-01浏览次数：52

杨仲南课题组揭示植物温敏育性恢复的机制



2020年3月30日，杨仲南教授团队于《Nature Plants》发表了题为“Slowing development restores the fertility of thermo-sensitive male-sterile plant lines”的研究论文，该研究揭示了植物温敏育性转换机制。



自上世纪80年代发现水稻温敏不育系以来，温敏不育系已经广泛应用于水稻杂交制种【1-2】。目前水稻中存在十多个温敏不育位点。近年来，华中农业大学，华南农业大学以及上海交通大学等研究团队经过多年的努力，克隆并报道了数个温敏雄性不育基因，包括长链非编码RNA，RNase Z家族成员，富亮氨酸受体激酶基因等【3-7】。这些工作极大地促进了对于温敏不育机制的理解。然而，温度作为共同的环境信号，是如何恢复不同遗传位点决定的温敏不育系，尚不清楚。


课题组长期从事植物雄性不育机理的研究。在偶然条件下，发现一个拟南芥不育系在低温下能够恢复育性，将其命名为reversible male sterile (rvms-1)。该基因编码一个在小孢子母细胞中特异表达的具有GDSL结构域的脂酶，推测在小孢子发育为成熟的花粉粒过程中提供质膜原料。



图1. rvms突变体能够在低温下恢复育性


低温延缓植物生长发育是普遍的现象。因此，作者推测低温下发育速度的减缓有助于rvms小孢子积累足够的原料，发育成为有功能的花粉粒。为了证明这一点，作者利用化学诱变筛选到了rvms突变体的恢复子res1，是细胞周期蛋白依赖激酶CDKA;1的一个弱突变体。该突变体的减数分裂过程显著延长，从而有效保护小孢子发育进程。此外，rvms-1与一个生长缓慢的突变体chlm-4杂交后，其双突变体也能部分恢复育性。这些结果都表明，低温导致的缓慢生长是rvms育性恢复的机制。



图2 恢复子res1延缓了减数分裂过程



该研究发现一些与花粉外壁形成相关的不育突变体，如花粉壁模式建成相关的cals5，rpg1；与孢粉素合成相关的acos5，cyp703a2；以及与孢粉素转运相关的abcg26等突变体，在低温下也能恢复育性，表明这些突变体也是温敏突变体。恢复子res1也能恢复上述突变体的育性，表明缓慢生长也是这些温敏突变体育性恢复的机制。低温下植物生长缓慢是自然界的普遍现象，高等植物的生殖发育过程高度保守。因此，该论文提出缓慢生长是植物温敏不育恢复的一个普遍机制。



图3 缓慢生长使温敏突变体克服了雄配子体的发育缺陷




论文通讯作者为上海师范大学杨仲南教授。朱骏教授，楼悦博士，石强胜博士以及张森教授为论文共同第一作者。上海师范大学黄学辉教授参与了该论文中高通量测序分析相关工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家基金委、上海教委的项目资助。



  1. Tester, M. & Langridge, P. Breeding technologies to increase crop production in a changing world. Science327, 818-822 (2010).

  2. Chen, L. & Liu, Y. G. Male sterility and fertility restoration in crops. Annu. Rev. Plant Biol.65, 579-606 (2014).

  3. Zhou, H. et al. Photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterility in rice are caused by a point mutation in a novel noncoding RNA that produces a small RNA. Cell Res.22, 649-660 (2012).

  4. Ding, J. et al. A long noncoding RNA regulates photoperiod-sensitive male sterility, an essential component of hybrid rice. Proc. Natl Acad. Sci. USA109, 2654-2659 (2012).

  5. Fan, Y. et al. PMS1T, producing phased small-interfering RNAs, regulates photoperiod-sensitive male sterility in rice. Proc. Natl Acad. Sci. USA113, 15144-15149 (2016).

  6. Zhou, H. et al. RNase Z(S1) processes UbL40 mRNAs and controls thermosensitive genic male sterility in rice. Nat Commun.5, 4884 (2014).

  7. Yu, J. et al. Two rice receptor-like kinases maintain male fertility under changing temperatures. Proc. Natl Acad. Sci. USA114, 12327-12332 (2017).








原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-020-0622-6#data-availability