RNase ZS1加工UbL40mRNA控制水稻溫敏雄性核不育

周海, 周明, 楊遠(yuǎn)柱, 曹曉風(fēng), 莊楚雄

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；

2. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；

3. 湖南亞華種業(yè)科學(xué)研究院，袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410125

RNase ZS1加工UbL40mRNA控制水稻溫敏雄性核不育

周海1, 周明2, 楊遠(yuǎn)柱3, 曹曉風(fēng)2, 莊楚雄1

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；

2. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；

3. 湖南亞華種業(yè)科學(xué)研究院，袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410125

周海，博士后 周明，博士研究生周海、周明同為第一作者

水稻(Oryza sativa L.)是最主要的糧食作物之一，全世界超過(guò)一半的人口以水稻為主食。隨著人口的增長(zhǎng)和可耕地面積的減少，糧食的供需變得越來(lái)越不平衡，增加糧食產(chǎn)量已成為解決糧食供需不平衡的關(guān)鍵措施之一。雜交水稻可以比常規(guī)水稻提高20%～30%的產(chǎn)量，是解決糧食短缺問(wèn)題的重要方法。目前，我國(guó)雜交水稻的種植面積約占水稻種植總面積的60%，是我國(guó)水稻生產(chǎn)的主要方式。

根據(jù)使用不育系類型的不同，雜交水稻的育種方法主要分為兩系法和三系法。三系法通過(guò)使用細(xì)胞質(zhì)雄性不育系和恢復(fù)系產(chǎn)生雜種F1代種子，利用保持系和不育系雜交繁殖細(xì)胞質(zhì)雄性不育系。由于只有少數(shù)水稻品種可以作為恢復(fù)系，大大降低了恢復(fù)系與不育系間的遺傳多樣性，限制了水稻雜種優(yōu)勢(shì)的利用。兩系法主要是利用光/溫敏雄性核不育系與恢復(fù)系雜交產(chǎn)生雜種 F1代種子。光/溫敏不育系在長(zhǎng)日/高溫條件下表現(xiàn)為花粉敗育，可作為不育系與恢復(fù)系雜交制備雜交種；在短日/低溫條件下育性恢復(fù)自交結(jié)實(shí)，實(shí)現(xiàn)一系兩用。光/溫敏雄性核不育系的育性由核基因控制，大多數(shù)水稻品種均能恢復(fù)其育性，這使得兩系雜交水稻育種配組更加自由。兩系法利于水稻亞種間雜種優(yōu)勢(shì)的利用，對(duì)提高雜交水稻組合的產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性等具有更大的優(yōu)勢(shì)。此外，光/溫敏雄性核不育與細(xì)胞質(zhì)無(wú)關(guān)，與三系法相比，豐富了細(xì)胞質(zhì)遺傳物質(zhì)的多樣性，可以避免三系雜交稻不育細(xì)胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)單一可能帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。因此，光/溫敏不育系在雜交水稻育種中潛力巨大，成為水稻雜交育種廣泛應(yīng)用的材料。目前，溫敏型雄性核不育系是兩系雜交水稻育種中應(yīng)用較為廣泛的不育系。

安農(nóng) S-1是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的秈稻溫敏不育系。安農(nóng)S-1作為不育基因資源被轉(zhuǎn)育成多個(gè)不育系，在兩系雜交稻育種中廣泛應(yīng)用。株1S是兩系雜交早稻使用率最高的秈型溫敏不育系之一。安農(nóng)S-1的育性受隱性核基因tms5控制，株1S的溫敏不育基因還不清楚。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室莊楚雄研究員課題組、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物研究所植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹曉風(fēng)研究員課題組與湖南亞華種業(yè)楊遠(yuǎn)柱研究員通過(guò)多年的合作研究，定位、克隆了安農(nóng)S-1和株1S的溫敏不育基因——tms5，并揭示了該基因控制水稻溫敏不育的分子機(jī)理。相關(guān)工作已于2014年9月11日在線發(fā)表于Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms5884)。

兩個(gè)課題組分別克隆了控制安農(nóng)S-1和株1S的溫敏不育基因，將其定位在第 2染色體相同的位置。該位置與之前報(bào)道的tms5重合?；蝾A(yù)測(cè)和序列分析顯示，安農(nóng)S-1和株1S中Os02g0214300編碼區(qū)第71位堿基均由C突變成 A，形成了一個(gè)提前的終止密碼。該基因編碼的蛋白在溫敏不育系中不能被檢測(cè)到。進(jìn)一步對(duì)我國(guó)育種中主要使用的兩用光/溫敏核不育系進(jìn)行分析，25個(gè)不育系中有24個(gè)均含有tms5基因，表明tms5基因是控制我國(guó)溫敏型不育系的主要不育基因。2011年，我國(guó)種植的兩系雜交水稻中，有 71個(gè)品種是用帶有 tms5的兩用不育系培育而成，占所有兩系雜交稻品種的 71%，其種植面積超過(guò)全國(guó)兩系雜交稻種植面積的80%。

tms5編碼了一個(gè)短版的RNase Z同源蛋白，命名為RNase ZS1。RNase ZS1具有前體tRNA 3’端內(nèi)切酶活性，實(shí)驗(yàn)表明RNase ZS1在體外能切割前體tRNA，但是由于其定位在細(xì)胞質(zhì)中，推測(cè)其不參與細(xì)胞核前體 tRNA加工。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析顯示，3個(gè)UbL40mRNA受高溫度誘導(dǎo)，在安農(nóng)S-1和株1S中高表達(dá)，而在野生型材料中維持在較低水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)UbL40mRNA在花粉母細(xì)胞特異性表達(dá)，并在溫敏不育系中受高溫誘導(dǎo)。因此推測(cè)RNase ZS1可能通過(guò)對(duì)UbL40mRNA的加工，調(diào)控水稻溫敏雄性不育。體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)證明，RNase ZS1能夠加工這3個(gè)UbL40mRNA。在野生型水稻中過(guò)表達(dá)UbL40導(dǎo)致雄性不育，在tms5溫敏不育系中降低UbL40的表達(dá)可以部分恢復(fù)花粉育性。這些結(jié)果證明RNase ZS1通過(guò)抑制受溫度誘導(dǎo)的 UbL40mRNA的表達(dá)量，控制水稻花粉發(fā)育。野生型水稻中，高溫誘導(dǎo) UbL40mRNA的積累，RNase ZS1降解UbL40mRNA，維持花粉育性正常；在tms5溫敏不育系中，由于RNase ZS1功能缺失，高溫誘導(dǎo)表達(dá)的UbL40mRNA過(guò)度積累，導(dǎo)致花粉敗育。該成果發(fā)現(xiàn)了RNase Z的新功能，首次揭示了水稻溫敏雄性不育的分子機(jī)理(圖1)。

圖1 RNase ZS1調(diào)控水稻溫敏雄性不育的工作模型野生型水稻中，高溫誘導(dǎo) UbL40mRNA的積累，RNase ZS1降解 UbL40mRNA，維持花粉育性正常；在tms5溫敏不育系中，由于RNase ZS1功能缺失，高溫誘導(dǎo)表達(dá)的UbL40mRNA過(guò)度積累，導(dǎo)致花粉敗育。