光溫敏不育作為一個重要的農藝性狀，在水稻兩系法雜交制種中發揮關鍵的作用。盡管在水稻中發現了諸多的光溫敏不育位點，但是溫度和光照如何影響水稻育性的共性機制尚不清楚。課題組在前期工作中利用模式植物擬南芥光溫敏不育系的研究，解釋了低溫下小孢子發育緩慢是植物育性恢復的共性機制(Zhu et al., 2020, Nat Plant 6:360-367; Zhang et al., 2020, Plant Physiol 184: 923-932; Shi et al., 2021, Mol Plant 14:2104-2114; Wang et al.,2021, JIPB 64: 717-730)。但水稻中發現的光溫敏位點與擬南芥有很大差異，提示水稻中除了緩慢生長外，還存在其他光溫敏不育的共性機制。課題組發明了水稻光溫敏不育系的創制技術，獲得了一系列中花11（ZH11）為背景的水稻光溫敏不育系。在2022年 (Zhang et al., 2022, PBJ 20:2023-2035；ostms18) 和2023年 (Han et al., 2022, PBJ 21:1659-1670；ostms15)發表兩個具有直接育種價值水稻光溫敏不育系的基礎上，本次發表的是ostms19（圖1）。

圖1.水稻線粒體定位的PPR蛋白OsTMS19的缺陷導致溫敏不育

OsTMS19基因編碼一個水稻花藥絨氈層表達的pentatricopeptide repeat (PPR) 蛋白。光溫敏不育系ostms19中該基因620位堿基從T突變為C，導致氨基酸從Val突變為Ala。野生型水稻小孢子在花藥發育的第10-11期，進行兩次有絲分裂并開始合成花粉內壁。這個時期小孢子活性氧(ROS)非常敏感。高溫不育條件下ostms19植株在這一時期檢測到強烈的ROS信號，而在低溫育性恢復條件下ROS能被有效清除,表明ROS穩態在溫度調控ostms19過程中起重要的作用（圖2A）。利用彗星實驗檢測發現，ostms19花粉細胞核DNA在高溫條件損傷顯著高于低溫條件（圖2B）。花粉內壁由小孢子（配子體）自身基因組控制。高溫下ostms19花粉內壁缺陷導致不育，低溫條件下內壁正常形成從而恢復育性（圖2C）。遺傳分析表明OsTMS19在孢子體中發揮作用，推測孢子體組織如絨氈層產生的ROS擴散到藥室中，影響小孢子基因組以及花粉內壁形成缺陷從而呈不育表型，低溫條件下ROS能被有效清除從而恢復育性。因此，ROS穩態在ostms19的光溫敏不育中發揮著重要作用。

圖2.溫度通過ROS穩態調控ostms19花粉形成和育性

課題組隨后分析了小孢子發育時期ROS穩態的改變是否也是其他水稻光溫敏育性轉換的共性機制。結果表明，在分析的所有三個水稻P/TGMS植株(tms5、ostms15和ostms18)中，高溫下花藥發育第10-11期的ROS也存在過量積累，低溫條件下ROS能被有效清除（圖3）。由此，課題組提出，響應溫度和光照改變的ROS穩態變化可能是水稻光溫敏不育系育性轉換的共性機制。

圖3.不同P/TGMS品種花藥發育10-11期都在高溫積累ROS而在低溫得到有效清除

結合先前模式植物擬南芥的研究成果，作者提出了作物光溫敏育性轉換的共性機制。1）花藥發育花粉形成過程中經歷一系列細胞壁的轉換：四分體壁-花粉外壁-花粉內壁；2）光溫敏基因直接或間接與這一細胞壁轉換密切相關。光溫敏不育系(P/TGMS)是相關基因突變引起；3）高溫/長光照條件下的快速生長以及ROS過量積累，導致小孢子細胞壁無法有效轉換而呈雄性不育；4）在低溫/短光照下，緩慢發育降低了小孢子對細胞壁保護作用的要求，以及ROS的及時清除，保證了作物P/TGMS植株小孢子能發育成有功能的花粉從而恢復育性（圖4）。

圖4.水稻光溫敏不育的恢復機制示意圖

在該研究中，上海師范大學博士生周磊為第一作者，楊仲南教授與朱駿教授為共同通訊作者，黃學輝教授以及美國Donald Danforth Plant Science Center的Blake C. Meyers教授也參與了部分研究工作。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金以及上海市教委和科委等課題的資助。

（供稿、攝影：生命科學學院）