華中農(nóng)業(yè)大學油菜團隊揭示異源四倍體甘藍型油菜自交親和的分子機制

 

　　自交不親和是油菜雜種優(yōu)勢利用的重要途徑之一。上世紀70年代，傅廷棟院士通過甘藍型油菜與白菜（浠水白）雜交，創(chuàng)制了自交不親和甘藍型油菜“271”；同時創(chuàng)造性的構(gòu)建了自交不親和“三系”（自交不親和系、保持系、恢復系）育種體系，這是在大田作物應用自交不親和產(chǎn)生雜種技術(shù)上的突破。此外，油菜是由自交不親和的白菜和甘藍雜交加倍形成的異源四倍體，其授粉方式已由自交不親和轉(zhuǎn)變?yōu)樽越挥H和，但其自交親和的分子機理目前仍知之甚少。因此，深入解析油菜自交親和形成的分子機制，對促進油菜自交不親和雜種優(yōu)勢的利用具有極為重要理論及實際意義。

 

　　植物的自交不親和性受復等位的S位點（S單倍型）控制，其遺傳機制復雜。以十字花科為例，其S單倍型包含自交不親和柱頭決定因子SRK和花粉識別蛋白SCR。前期研究表明，異源四倍體油菜的A、C亞基因組上各含有一個調(diào)控自交不親和反應的S單倍型。理論上只需一個S單倍型的SRK和SCR具有自交不親和功能，油菜就應表現(xiàn)為自交不親和，那么為什么具有兩種S單倍型的油菜還是自交親和的？白菜中的研究表明，在S單倍型雜合的白菜個體中，顯性S單倍型內(nèi)sRNA產(chǎn)生位點（SMI或SMI2）會產(chǎn)生siRNA（Smi或Smi2），抑制隱性單倍型SCR基因的表達。因此，作者推測作為天然S單倍型雜合物種油菜自交親和性狀的形成與可能其S單倍型間的顯隱性相關(guān)。

 

　　為解析油菜S單倍型顯隱性是否與其自交不親和性丟失相關(guān)，研究人員通過克隆恢復系‘Westar'A亞基因組BnSMI-1，將其導入到自交不親和系'S-70’中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因陽性的‘S-70’株系均由自交不親和變?yōu)樽越挥H和。這種性狀的轉(zhuǎn)變是由BnSMI-1轉(zhuǎn)基因株系BnSCR-1300和BnSCR-6基因啟動子區(qū)發(fā)生高度DNA甲基化，引起B(yǎng)nSCR-1300和BnSCR-6基因表達沉默導致。

 

　

 

　　先前的研究表明BnSMI2-6位點抑制BnSCR-7基因表達，通過基因編輯技術(shù)以保持系‘326’為受體創(chuàng)建了油菜自交不親和系‘SI-326’（Dou et al 2021）。在本研究中，將BnSMI2-1300轉(zhuǎn)入到‘SI-326’中，使‘SI-326’變?yōu)樽越挥H和，BnSMI2-1300轉(zhuǎn)基因株系自交親和的原因是BnSCR-7基因啟動子區(qū)發(fā)生高度DNA甲基化，引起B(yǎng)nSCR-7基因表達沉默；而BnSCR-6基因啟動子區(qū)不發(fā)生DNA甲基化，其轉(zhuǎn)錄不受影響，表明在油菜中BnS-6與BnS-1300單倍型之間不存在顯隱性調(diào)控關(guān)系。進一步的序列分析顯示SMI序列廣泛存在于十字花科物種；而SMI2序列僅存在于蕓薹屬物種中，表明二者可能具有不同的起源。此外，研究人員通過恢復系與自交不親和系、保持系與自交不親和系互相授粉，發(fā)現(xiàn)BnSCR-1300（具有自交不親和識別能力）與BnSRK-6之間不能引發(fā)自交不親和反應；而BnSCR-6基因過表達株系花粉授到自交不親和系油菜柱頭上發(fā)生自交不親和反應，暗示著BnSRK-6丟失了自交不親和識別或信號傳導能力。

 

　　

　　油菜恢復系與自交不親和系雜種F1含有BnS-1、BnS-6和BnS-1300三種S單倍型，BnS-1單倍型的SCR基因因啟動子上的轉(zhuǎn)座子插入失活，且BnSMI-1產(chǎn)生BnSmi-1抑制BnSCR-6和BnSCR-1300的轉(zhuǎn)錄，從而導致雜種F1中三種S單倍型的SCR均不表達，表現(xiàn)為自交親和?；謴拖底越挥H和的機理類似于自交不親和系與其恢復系雜種F1自交親和的原因。而在自交不親和保持系中，一方面，由于受到BnSMI2-6產(chǎn)生的BnSmi2-6的抑制，BnSCR-7不能表達，導致BnS-7單倍型不能表現(xiàn)出自交不親和性；另一方面，BnSRK-6不具有識別BnSCR-6的能力或不能將自交不親和信號傳遞，使BnS-6單倍型亦不能表現(xiàn)出自交不親和性，二者共同導致自交不親和保持系油菜自交親和。簡而言之，不論是恢復系還是保持系油菜，其自交親和的原因都是顯性S單倍型因各種原因喪失自交不親和能力，無功能的顯性S單倍型通過sRNA沉默有自交不親和功能的隱性S單倍型，使有功能的隱性S單倍型不能行使其自交不親和功能，從而導致親和。

 

　　

 

　　自交不親和性的丟失在物種的適應性進化中起著至關(guān)重要的作用，也廣泛存在于十字花科異源多倍體物種中。本研究以自交不親和“三系”油菜為材料，解析sRNA（Smi和Smi2）在油菜自交親和進化中的作用，拓寬了人們對十字花科自交不親和系統(tǒng)遺傳基礎(chǔ)及其自交不親和性丟失的理解，也為埃塞俄比亞芥和芥菜型油菜等物種自交親和機理解析提供借鑒和參考。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學博士后竇勝瑋為論文第一作者，作物遺傳改良全國重點實驗室戴成副教授為論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學博士研究生全成滔、王璐琳，已畢業(yè)博士生梁曉梅及已畢業(yè)碩士生楊闖；已出站博士后張彤（現(xiàn)單位山東農(nóng)業(yè)大學）及華中農(nóng)業(yè)大學馬朝芝教授參與了本研究。本研究得到國家自然科學基金面上、中國博士后基金面上及湖北省創(chuàng)新研究崗位等項目資助。