植物細胞質(zhì)雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）指由細胞質(zhì)基因引起的雄性生殖器官不能產(chǎn)生有功能花粉的現(xiàn)象，是一種母性遺傳性狀。目前在很多種植物中都報道了細胞質(zhì)雄性不育，大都由線粒體不育基因和細胞核恢復(fù)基因（Restorer of fertility，Rf）共同調(diào)控；細胞質(zhì)線粒體基因?qū)е滦坌圆挥?，而細胞核恢?fù)基因使不育系恢復(fù)育性。CMS/Rf為雜種優(yōu)勢利用提供了實用的工具，已被廣泛應(yīng)用于多種作物雜交種子的商業(yè)生產(chǎn)中；該體系也為研究植物線粒體-細胞核相互作用和共同進化提供了極好的模型。自上世紀(jì)70年代以來，以水稻雄性不育系、保持系和恢復(fù)系為基礎(chǔ)的三系雜交稻突破了自花授粉作物雜種優(yōu)勢利用的技術(shù)瓶頸，為世界的糧食生產(chǎn)做出了突出貢獻。但是現(xiàn)有的水稻細胞質(zhì)雄性不育類型往往存在育性不穩(wěn)定、育性恢復(fù)不徹底、以及兩位點模式的恢復(fù)基因影響育種效率等問題。
2022年8月15日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張啟發(fā)院士和歐陽亦聃教授團隊聯(lián)合中國種子集團生命科學(xué)技術(shù)中心周發(fā)松研究員在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表了題為Fujian cytoplasmic male sterility and the fertility restorer gene OsRf19 provide a promising breeding system for hybrid rice的最新成果。該研究克隆了水稻CMS-FA型細胞質(zhì)雄性不育的不育基因FA182和恢復(fù)基因OsRf19，初步解析了OsRf19恢復(fù)育性的機理，并通過育種應(yīng)用證明了水稻CMS-FA/OsRf19系統(tǒng)具有重要的育種應(yīng)用價值。
CMS-FA/OsRf19是由福建農(nóng)林大學(xué)王乃元教授發(fā)現(xiàn)和建立的雜交稻育種體系，其雄性不育性來自于福建的野生稻，為孢子體不育，敗育性徹底，單基因恢復(fù)且恢復(fù)力強。王乃元教授已用這個體系培育出多個優(yōu)良雜交稻組合。以此為基礎(chǔ)，本文發(fā)表的研究工作克隆了雄性不育基因和恢復(fù)基因，并進行了作用機理分析。
為了找到導(dǎo)致雄性不育的細胞質(zhì)基因，研究人員對不育系的線粒體基因組進行了測序，通過與多個水稻線粒體基因組進行比對分析，發(fā)現(xiàn)了一個部分序列與高粱線粒體基因組序列同源的嵌合基因FA182，將其轉(zhuǎn)化水稻導(dǎo)致雄性不育，該基因還可抑制大腸桿菌的生長。研究人員通過遺傳分析將恢復(fù)基因OsRf19定位在水稻第10染色體上35 kb的范圍內(nèi)，并在這個區(qū)間內(nèi)預(yù)測到四個編碼PPR類蛋白的基因，隨后通過遺傳轉(zhuǎn)化和CRISPR/Cas9突變證實了OsRf19控制水稻CMS-FA的育性恢復(fù)。進一步研究表明恢復(fù)基因OsRF19蛋白通過剪切不育基因FA182的轉(zhuǎn)錄本以極大地降低其含量從而恢復(fù)育性；在花藥中恢復(fù)基因OsRf19能夠降低不育基因90%的轉(zhuǎn)錄本含量。研究人員利用多個已測序的野生稻和栽培稻的基因組數(shù)據(jù)進行了OsRf19的演化分析，發(fā)現(xiàn)OsRf19為一個PPR基因簇成員，與已經(jīng)克隆的水稻恢復(fù)基因Rf1a/Rf5來自于一個共同的祖先。為展示CMS-FA/OsRf19系統(tǒng)的應(yīng)用前景，該研究用CMS-FA不育胞質(zhì)和OsRf19恢復(fù)基因培育了多個不育系和恢復(fù)系，配制了雜交稻組合。田間試驗表明所配制的雜交稻具有優(yōu)良的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量表現(xiàn)。該研究所展示的單個基因OsRf19能完全恢復(fù)不育系的育性這一結(jié)果，為雜交稻的培育提供了理論基礎(chǔ)和基因資源，具有重要的應(yīng)用前景。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室張啟發(fā)教授、歐陽亦聃教授和中國種子集團生命科學(xué)技術(shù)中心周發(fā)松研究員為該論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后蔣海潮為該論文第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項目資助。
【英文摘要】Cytoplasmic male sterility （CMS） determined by mitochondrial genes and restorer of fertility （Rf） controlled by nuclear-encoded genes provide the breeding systems of many hybrid crops for the utilization of heterosis. Although several CMS/Rf systems have been widely exploited in rice, hybrid breeding using these systems has encountered difficulties due to either fertility instability or complications of two-locus inheritance or both. In this work, we characterized a type of CMS, Fujian Abortive cytoplasmic male sterility （CMS-FA）， with stable sporophytic male sterility and a nuclear restorer gene that completely restores hybrid fertility. CMS is caused by the chimeric open reading frame FA182 that specifically occurs in the mitochondrial genome of CMS-FA rice. The restorer gene OsRf19 encodes a pentatricopeptide repeat （PPR） protein targeted to mitochondria, where it mediates the cleavage of FA182 transcripts, thus restoring male fertility. Comparative sequence analysis revealed that OsRf19 originated through a recent duplication in wild rice relatives, sharing a common ancestor with OsRf1a/OsRf5, a fertility restorer gene for Boro II and Hong-Lian CMS. We developed six restorer lines by introgressing OsRf19 into parental lines of elite CMS-WA hybrids; hybrids produced from these lines showed equivalent or better agronomic performance relative to their counterparts based on the CMS-WA system. These results demonstrate that CMS-FA/OsRf19 provides a highly promising system for future hybrid rice breeding.
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208759119
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