中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甘藍(lán)青花菜課題組揭示顯性雄性不育的遺傳調(diào)控機(jī)制

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甘藍(lán)青花菜課題組在甘藍(lán)顯性雄性不育遺傳調(diào)控機(jī)制方面取得重要進(jìn)展。該研究利用正向遺傳學(xué)手段克隆了甘藍(lán)顯性雄性不育基因Ms-cd1，發(fā)現(xiàn)其啟動子區(qū)突變是導(dǎo)致顯性雄性不育的原因，并揭示了BoERF1L通過直接結(jié)合Ms-cd1的啟動子，維持其精準(zhǔn)表達(dá)的機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果以“A natural mutation in the promoter of Ms-cd1 causes dominant male sterility in Brassica oleracea”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

 

　　甘藍(lán)類蔬菜包含結(jié)球甘藍(lán)、青花菜、花椰菜、苤藍(lán)等多種重要蔬菜作物，其適應(yīng)性和抗逆性均較強，又具有較高的營養(yǎng)和保健價值，因而在中國乃至世界各地廣泛栽培。目前生產(chǎn)上使用的甘藍(lán)品種幾乎全部為一代雜種。傳統(tǒng)的甘藍(lán)雜交制種主要依賴于Ogura細(xì)胞質(zhì)不育（CMS），該不育制種體系的缺點是作為母本的不育系死花蕾較多、花朵小、蜜腺不發(fā)達(dá)、吸引蜜蜂少，導(dǎo)致雜交制種的產(chǎn)量和質(zhì)量均不高。

 

　　79-399-3是方智遠(yuǎn)院士于1979年發(fā)現(xiàn)的世界首例甘藍(lán)顯性雄性不育（DGMS）突變體。該材料表現(xiàn)為死花蕾少、花朵大，蜜腺發(fā)達(dá)、可以正常吸引蜜蜂，作為母本生產(chǎn)雜交種時可使產(chǎn)量提高98%。課題組利用回交轉(zhuǎn)育方法獲得了幾十份結(jié)球甘藍(lán)、青花菜、苤藍(lán)等顯性雄性不育系，建立起顯性雄性不育育種技術(shù)體系，配制出“中甘18”、“中甘21”等結(jié)球甘藍(lán)新品種，“中青9號”等青花菜新品種，使我國甘藍(lán)顯性不育利用取得了重大突破。在之前的研究中，甘藍(lán)顯性雄性不育基因Ms-cd1被定位在9號染色體的一個區(qū)段，但還未被克隆。

 

　　該研究利用三個高代回交群體，將Ms-cd1精細(xì)定位在10.9 kb的區(qū)段，篩選出Bol035718作為候選基因，該基因編碼一個PHD-finger轉(zhuǎn)錄因子，在雄蕊中特異表達(dá)。在不育材料中，Ms-cd1啟動子區(qū)存在一個1 bp的缺失，該突變顯著增強了Ms-cd1的轉(zhuǎn)錄活性，但沒有改變其組織表達(dá)特異性。隨后通過遺傳轉(zhuǎn)化驗證了該基因的功能；另外利用CRISPR/Cas9對該基因進(jìn)行敲除，獲得的純合突變體ms-cd1表現(xiàn)為隱性雄性不育（RGMS），且與DGMS敗育表型不同。研究還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子BoERF1L通過直接結(jié)合Ms-cd1啟動子，抑制Ms-cd1的表達(dá)，從而維持正常的雄性育性。研究團(tuán)隊還對基于該DGMS的雜交制種體系進(jìn)行了優(yōu)化升級。研究結(jié)果闡明了甘藍(lán)顯性雄性不育形成的遺傳調(diào)控機(jī)理，為甘藍(lán)雜交制種提供了理論依據(jù)。

 

　　該論文以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為第一和通訊作者單位，韓風(fēng)慶助理研究員、袁凱文博士、孫文茹博士為本論文共同第一作者，方智遠(yuǎn)院士、張揚勇研究員、呂紅豪研究員為本論文的通訊作者。黃三文研究員、張春芝研究員、張金喆副研究員對該研究工作進(jìn)行了重要指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41916-0