作者：赵峻锋、吴锁伟
在不断加剧的全球气候变化和逆境条件下，培育具有多种优良性状的作物品种，对于满足不断增长的全球人口的粮食安全需求至关重要。然而，利用作物杂种优势的聚合育种方法依赖于人工去雄，耗时费力。相比于隐性雄性不育表型不能在杂交F1代保持的特点，显性雄性不育(Dominant male sterility, DMS)是加速聚合育种的理想选择。当使用DMS系作为母本受体时，产生的杂交种每一代都有近50%的雄性不育植株，从而促进基于杂交的优良性状/基因的聚合育种。目前，天然的水稻DMS基因资源十分有限，并且机制研究相对不足。
近日，四川农业大学李双成/李平教授团队在国际知名学术期刊Plant Physiology发表了题为“Manipulation of tapetal degradation provides a dominant male-sterility system for pyramiding breeding in rice”的研究论文[1]，通过在水稻中过量表达 EAT1 基因，创制了一种促进水稻聚合育种的显性雄性不育系统，为提高作物杂种优势利用效率提供了新思路。
在植物雄性发育过程中，绒毡层为配子体提供营养、信号和酶等。绒毡层过早或延迟降解皆会导致雄性不育。在该研究中，首先构建了由玉米 Ubiquitin-1 (Ubi) 启动子驱动的 EAT1 过表达( EAT1-OE )水稻植株，并通过RT-qPCR实验证实。T0植株在生殖期表现出典型的雄性不育表型，随后研究人员用野生型(WT)花粉授粉后，F1后代可育植株与不育植株的分离比为1:1，且不育表型与 EAT1-OE 转基因元件共分离。因此，该雄性不育表型表现为显性遗传。细胞学分析结果表明，过表达突变体的绒毡细胞程序性凋亡（PCD）提前，诱导绒毡层过早降解从而破坏小孢子的正常发育（图1）。
图1. 过表达 EAT1 基因植株的表型与细胞学分析
通过RNA-seq分析比较WT和 EAT1-OE 花药之间的差异表达基因，发现半胱氨酸蛋白酶基因( OsCP1 )与 EAT1 基因表达水平呈正相关（图2），在水稻花粉发育过程中与 EAT1 基因表现出部分重叠的表达模式。在一个功能缺失的 EAT1 突变体 EAT1 -5 中检测到 OsCP1 下调，暗示OsCP1受 EAT1 调控。双荧光素酶、DNA亲和纯化qPCR和EMSA结果表明，EAT1 可以直接结合并激活 OsCP1 的E-box启动子，证明OsCP1 基因是 EAT1 的靶基因，EAT1 过表达导致其下游靶基因 OsCP1 表达量上升，引发绒毡层过早降解，从而导致雄性不育。过表达EAT1基因产生的显性雄性不育植株，其不育表型在不同世代和不同生长环境遗传稳定。由于带有 pUbi-EAT1 的植物表现为显性雄性不育，育种者可以通过选择性地从可育植物中收获种子来排除转基因成分。此外，显性雄性不育可引入到各种遗传背景中，从而能够产生不同遗传背景的显性不育材料。
图2. EAT1通过直接激活 OsCP1 基因的过表达导致显性不育的分子机制
综上，携带 pUbi-EAT1 的水稻植株表现出稳定的显性雄性不育表型，使其成为多基因/性状聚合的理想受体(图3)。通过基因分型和标记辅助选择，可以有效地将优良性状/基因聚合到最终的可育植株中。该研究以及结合前人报道的玉米显性不育系统研究[2,3]表明，人为地操纵过表达单一基因可以导致花药绒毡层的提前降解，创制显性不育聚合育种系统，有利于促进作物的杂种优势利用效率。
图3. 基于 pUbi – EAT1 显性雄性不育(DMS)系统的水稻多基因聚合育种原理
原文链接
https://academic.oup.com/plphys/advancerticle/doi/10.1093/plphys/kiad486/7260104
参考文献
1.Tao et al. (2023). Manipulation of tapetal degradation provides a dominant male-sterility system for pyramiding breeding in rice. Plant Physiol doi: 10.1093/plphys/kiad486.
2. An X, et al. (2020). Molecular regulation of ZmMs7 required for maize male fertility and development of a dominant malesterility system in multiple species. Proc Natl Acad Sci U S A 117: 23499–23509
3. Wan X, et al. (2021) Breeding with dominant genic male-sterility genes to boost crop grain yield in the post-heterosis utilization era. Mol Plant 14: 531-534
