玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育研究取得進(jìn)展

植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育是廣泛存在并具有重要應(yīng)用價(jià)值的生物學(xué)現(xiàn)象。在雄性不育材料中，花粉粒敗育而其它組織的生長發(fā)育不受影響，因此細(xì)胞質(zhì)雄性不育被廣泛應(yīng)用于雜交種生產(chǎn)。細(xì)胞質(zhì)雄性不育也是研究細(xì)胞核與線粒體相互作用的利器，不育基因由線粒體基因組編碼，而大部分恢復(fù)基因由核基因組編碼。兩套不同的基因組如何協(xié)同調(diào)控花粉粒的育性，甚至植物生長發(fā)育，其中分子機(jī)制還有待進(jìn)一步探明。

近期，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陳化榜研究組鑒定了玉米S 型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMSS）系的不育基因orf355，并進(jìn)一步鑒定出一個(gè)在花藥中特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子ZmDREB1.7。ZmDREB1.7定位于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體，不同實(shí)驗(yàn)證實(shí)ZmDREB1.7 能夠結(jié)合到orf355 基因的啟動(dòng)子并促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄。Orf355 是一個(gè)具有強(qiáng)烈細(xì)胞毒性的蛋白，通過誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)orf355 能夠顯著增強(qiáng)線粒體逆向信號(hào)。ZmDREB1.7 基因啟動(dòng)子區(qū)域存在一定數(shù)量的UPR motif （unfolded protein response motif），該motif 的存在使得ZmDREB1.7 基因快速響應(yīng)線粒體逆向信號(hào)，而缺失主效UPR motif 的單倍型能夠部分恢復(fù)CMS-S 玉米的育性，表明其是S 型細(xì)胞質(zhì)雄性不育的弱恢復(fù)基因。基于上述結(jié)果，該研究揭示了一個(gè)導(dǎo)致玉米S 型細(xì)胞質(zhì)雄性不育的分子機(jī)制。

已有研究一直不清楚不育基因?yàn)楹蝺H僅影響花粉粒敗育，而對(duì)其它組織沒有影響。該研究推測與花藥特異表達(dá)的ZmDREB1.7 有關(guān)。在花藥中，ZmDREB1.7 促進(jìn)orf355 表達(dá)，而orf355 積累增強(qiáng)線粒體逆向信號(hào)，反饋促進(jìn)ZmDREB1.7 表達(dá)。因此，ZmDREB1.7 與orf355 在S 型玉米的小孢子中形成了一個(gè)正反饋調(diào)控機(jī)制，最終導(dǎo)致orf355 蛋白的積累和敗育。

相關(guān)成果發(fā)表在Molecular Plant 上（DOI:10.1016/j.molp.2020.07.002），研究員陳化榜組前助理研究員肖森林為第一作者，陳化榜、研究員北京市農(nóng)林科學(xué)院趙久然為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、國家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)的支持。