作者：Z.N. Yang
近日，上海师范大学生命科学学院杨仲南/朱骏教授团队于《Plant Biotechnology Journal》发表了题为“Mutation of GMC oxidoreductase leads to thermosensitive genic male sterility in rice and Arabidopsis”的研究论文，发现了一个新的水稻温敏不育遗传位点ostms18，与传统的含有tms5遗传位点的水稻温敏不育系相比，育性转换温度更低，因而更稳定更安全，具有较大的育种应用价值。同时，该研究从细胞学层面解析了温敏不育的育性转换机制，揭示了水稻和拟南芥温敏不育机制的异同之处。
自上世纪80年代发现水稻光温敏不育系以来，光温敏不育系已经广泛应用于水稻两系杂交制种。经过四十多年的努力，育种家发现了十多个水稻光温敏不育系。近年研究发现，生产上应用的水稻光温敏不育系中90%以上的品种都是利用现有的tms5位点。由于tms5育性转换温度偏高，一些年份偶发的夏季低温潮导致带有该位点不育系育性部分恢复，严重影响杂交制种的纯度。因此农业生产上迫切需要不育性更为稳定的光温敏不育系。
杨仲南教授团队先前对模式植物拟南芥光温敏不育机制开展了系统深入的研究，发现低温下小孢子发育缓慢是育性恢复的共性机制(Zhu et al., 2020, Nature Plants 6:360-367)。光敏不育系育性恢复也是由短光照条件下小孢子发育缓慢所致，因此光照和温度共同通过调控小孢子发育进程从而恢复育性(Zhang et al., 2020, Plant Physiology 184: 923-932)。该团队筛选到一系列光温敏不育系的恢复子，揭示了低温下缓慢发育降低小孢子对细胞壁保护作用的要求从而恢复育性的细胞学机制(Shi et al., 2021, Molecular Plant 14:2104-2114; Wang et al., 2022, Journal of Integrative Plant Biology 64: 717-730)。
该团队对拟南芥光温敏不育机制深入解析的基础上，发明了水稻光温敏不育系的创制技术，获得了多个中花11（ZH11）为背景的光温敏不育系。其中一个命名为ostms18的株系在高温（HT）下（29 ℃）表现为完全不育，但在低温(LT)下（23 ℃）育性正常，且其他农艺性状与野生型相比没有明显区别。在 2021 年上海地区偶发的夏季低温潮的影响下，ostms18 与同样为中花 11 背景的 tms5 突变体相比，其温敏不育性状和不育稳定性显著好于 tms5。通过将该位点引入不同背景的水稻品种中发现，含有其纯合突变位点的植株仍表现为温敏雄性不育，因此该遗传位点在两系杂交水稻育种中具有较好的应用潜力（图1）。
图1 ostms18的温敏不育性状优于同样背景的tms5位点
OsTMS18（LOC_Os10g38050）编码一个在花药中高效表达的葡萄糖-甲醇-胆碱（GMC）氧化还原酶，该基因的强等位突变体np1表现为完全雄性不育。ostms18中该基因第二个外显子一个氨基酸发生突变（Gly-Ser）导致光温敏雄性不育。细胞学分析表明，ostms18 突变体在高温下花粉外壁第二层的结构发生异常，导致花粉破裂，但低温下外壁第二层的结构虽然变薄但较为完整。拟南芥中同源基因 AtTMS18 （At1g12570）的突变体在常温下（24 ℃）育性正常，高温条件下（28 ℃）育性显著降低，同样表现为温敏不育性状。此外，OsTMS18 以及 AtTMS18 基因分别受绒毡层花粉外壁形成关键转录因子 OsMS188 和 MS188 的直接调控，表明它们都参与花粉壁的形成过程（图2）。
图2 OsTMS18基因结构及野生型和突变体在高低温下的细胞学分析
基于以上研究结果，研究者提出了水稻光温敏不育系ostms18育性恢复的细胞学机制。在小孢子发育成花粉过程中，需要进行细胞壁的转换。四分体壁逐渐降解同时伴随花粉外壁形成，随后在花粉外壁和质膜之间形成的花粉内壁对成熟花粉粒起保护作用。ostms18中花粉外壁缺陷导致花粉破裂；低温条件下的缓慢发育，有缺陷的花粉壁足以保护小孢子继续形成花粉内壁从而恢复育性。
另外，该论文对于不同植物的光温敏育性恢复的差异性进行了分析。水稻在夏季强日照和高温条件下生长，花粉形成过程中需要更强的花粉壁保护。而拟南芥作为阴生模式植物，小孢子发育过程中对花粉壁保护的要求不高，相关基因的突变体育性更容易恢复。这些研究结果有助于加深人们对于植物光温敏育性恢复机制的理解（图3），并对创制其它作物遗传稳定的温敏不育系具有参考价值。
图3 植物光温敏育性恢复的细胞学机制
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13886
参考文献：
1. Zhu, J.; Lou, Y.; Shi, Q. S.; Zhang, S.; Zhou, W. T.; Yang, J.; Zhang, C.; Yao, X. Z.; Xu, T.; Liu, J. L.; Zhou, L.; Hou, J. Q.; Wang, J. Q.; Wang, S.; Huang, X. H.; Yang, Z. N., Slowing development restores the fertility of thermo-sensitive male-sterile plant lines. Nature Plants 2020, 6, (4), 360-367.
2. Zhang, C.; Xu, T.; Ren, M. Y.; Zhu, J.; Shi, Q. S.; Zhang, Y. F.; Qi, Y. W.; Huang, M. J.; Song, L.; Xu, P.; Yang, Z. N., Slow Development Restores the Fertility of Photoperiod-Sensitive Male-Sterile Plant Lines. Plant Physiol 2020, 184, (2), 923-932.
3. Shi, Q. S.; Lou, Y.; Shen, S. Y.; Wang, S. H.; Zhou, L.; Wang, J. J.; Liu, X. L.; Xiong, S. X.; Han, Y.; Zhou, H. S.; Huang, X. H.; Wang, S.; Zhu, J.; Yang, Z. N., A cellular mechanism underlying the restoration of thermo/photoperiod-sensitive genic male sterility. Mol Plant 2021, 14, (12), 2104-2114.
4. Wang, K. Q.; Yu, Y. H.; Jia, X. L.; Zhou, S. D.; Zhang, F.; Zhao, X.; Zhai, M. Y.; Gong, Y.; Lu, J. Y.; Guo, Y.; Yang, N. Y.; Wang, S.; Xu, X. F.; Yang, Z. N., Delayed callose degradation restores the fertility of multiple P/TGMS lines in Arabidopsis. J Integr Plant Biol 2022, 64, (3), 717-730.
