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                                  最新觀點| 一種新型工程顯性雄性不育助力水稻聚合育種

                                  作者:趙峻鋒、吳鎖偉

                                  在不斷加劇的全球氣候變化和逆境條件下,培育具有多種優良性狀的作物品種,對于滿足不斷增長的全球人口的糧食安全需求至關重要。然而,利用作物雜種優勢的聚合育種方法依賴于人工去雄,耗時費力。相比于隱性雄性不育表型不能在雜交F1代保持的特點,顯性雄性不育(Dominant male sterility, DMS)是加速聚合育種的理想選擇。當使用DMS系作為母本受體時,產生的雜交種每一代都有近50%的雄性不育植株,從而促進基于雜交的優良性狀/基因的聚合育種。目前,天然的水稻DMS基因資源十分有限,并且機制研究相對不足。

                                  近日,四川農業大學李雙成/李平教授團隊在國際知名學術期刊Plant Physiology發表了題為“Manipulation of tapetal degradation provides a dominant male-sterility system for pyramiding breeding in rice”的研究論文[1],通過在水稻中過量表達 EAT1 基因,創制了一種促進水稻聚合育種的顯性雄性不育系統,為提高作物雜種優勢利用效率提供了新思路。

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                                  在植物雄性發育過程中,絨氈層為配子體提供營養、信號和酶等。絨氈層過早或延遲降解皆會導致雄性不育。在該研究中,首先構建了由玉米 Ubiquitin-1 (Ubi) 啟動子驅動的 EAT1 過表達( EAT1-OE )水稻植株,并通過RT-qPCR實驗證實。T0植株在生殖期表現出典型的雄性不育表型,隨后研究人員用野生型(WT)花粉授粉后,F1后代可育植株與不育植株的分離比為1:1,且不育表型與 EAT1-OE 轉基因元件共分離。因此,該雄性不育表型表現為顯性遺傳。細胞學分析結果表明,過表達突變體的絨氈細胞程序性凋亡(PCD)提前,誘導絨氈層過早降解從而破壞小孢子的正常發育(圖1)。

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                                  圖1. 過表達 EAT1 基因植株的表型與細胞學分析

                                  通過RNA-seq分析比較WT和 EAT1-OE 花藥之間的差異表達基因,發現半胱氨酸蛋白酶基因( OsCP1 )與 EAT1 基因表達水平呈正相關(圖2),在水稻花粉發育過程中與 EAT1 基因表現出部分重疊的表達模式。在一個功能缺失的 EAT1 突變體 EAT1 -5 中檢測到 OsCP1 下調,暗示OsCP1受 EAT1 調控。雙熒光素酶、DNA親和純化qPCR和EMSA結果表明,EAT1 可以直接結合并激活 OsCP1 的E-box啟動子,證明OsCP1 基因是 EAT1 的靶基因,EAT1 過表達導致其下游靶基因 OsCP1 表達量上升,引發絨氈層過早降解,從而導致雄性不育。過表達EAT1基因產生的顯性雄性不育植株,其不育表型在不同世代和不同生長環境遺傳穩定。由于帶有 pUbi-EAT1 的植物表現為顯性雄性不育,育種者可以通過選擇性地從可育植物中收獲種子來排除轉基因成分。此外,顯性雄性不育可引入到各種遺傳背景中,從而能夠產生不同遺傳背景的顯性不育材料。

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                                  圖2. EAT1通過直接激活 OsCP1 基因的過表達導致顯性不育的分子機制

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                                  圖3. 基于 pUbi – EAT1 顯性雄性不育(DMS)系統的水稻多基因聚合育種原理


                                  原文鏈接

                                  https://academic.oup.com/plphys/advancerticle/doi/10.1093/plphys/kiad486/7260104


                                  參考文獻

                                  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





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