華中農(nóng)大油菜團隊在基因復(fù)等位遺傳機制方面取得新進展

5月25日，華中農(nóng)大油菜團隊楊光圣和洪登峰教授課題組在《The Plant Journal》雜志發(fā)表題為“Molecular mechanisms underpinning the multiallelic inheritance ofMS5in Brassica napus”的研究論文，揭示了一個在油菜雜交種制種中被廣泛應(yīng)用的MS5基因調(diào)控的細(xì)胞核雄性不育系統(tǒng)的復(fù)等位遺傳機制。

細(xì)胞核雄性不育是油菜雜種優(yōu)勢利用的重要途徑之一，也是開展輪回選擇的重要橋梁性狀。其中，Yi3A類型的細(xì)胞核雄性不育系統(tǒng)因其育性受到同一基因座位的3個復(fù)等位基因MS5a（恢復(fù)基因）、MS5b（不育基因）和MS5c（臨?；颍┛刂?，且3者之間具有MS5a＞MS5b＞MS5c的顯隱性關(guān)系，可方便實現(xiàn)油菜的“三系化”制種。2016年，該課題組成功克隆了MS5位點的3個復(fù)等位基因，并和中科院遺傳所程祝寬團隊合作解析了不育系中減數(shù)分裂進程異常的細(xì)胞學(xué)機制，但復(fù)等位遺傳背后的分子機制卻一直不為人所知。

本研究中，通過CRISPR/Cas9基因編輯證明恢復(fù)基因MS5a和臨?；騇S5c都是油菜育性維持所必需的，基因缺失后表現(xiàn)出與不育系相同的減數(shù)分裂異常表型。MS5a和MS5c基因在恢復(fù)或保持MS5b不育方面功能出現(xiàn)分化的主要原因是它們編碼區(qū)序列的差異，其次為啟動子區(qū)的不同造成的表達量差異。雄性不育基因MS5b編碼一個嵌合蛋白，包含完整的coiled coil（CC）結(jié)構(gòu)域，但缺失了整個MS5superfamily domain（MSD）。MS5a或MS5c蛋白可以通過CC結(jié)構(gòu)域形成同源二聚體，MS5b則能通過殘留的CC結(jié)構(gòu)域與MS5正常功能蛋白競爭性結(jié)合，形成無功能的二聚體。由于MS5b和MS5c表達量幾乎相同，在MS5b、MS5c雜合材料中，無功能的異源二聚體占優(yōu)勢，從而使得油菜減數(shù)分裂異常，遺傳上表現(xiàn)為MS5b對MS5c的顯性負(fù)效應(yīng)；而在MS5a、MS5b雜合單株中，由于MS5a的高表達，大劑量MS5a蛋白的積累保證了減數(shù)分裂的正常進行。這一結(jié)果為遺傳學(xué)上完全顯隱性關(guān)系的復(fù)等位遺傳現(xiàn)象提供了一個新的分子機制解釋；同時，MS5復(fù)等位遺傳分子機制的解析，也為MS5調(diào)控的雄性不育在油菜及蕓薹屬其他物種中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。