7月3日，生命科學學院楊仲南、朱駿教授團隊于《Plant Biotechnology Journal》發表了題為“Mutation of GMC oxidoreductase leads to thermosensitive genic male sterility in rice and Arabidopsis”的研究論文，該研究發現了一個新的水稻溫敏不育的遺傳位點，從細胞學層次解析了溫敏不育的機制，反映了水稻和擬南芥溫敏不育的共同性和差異性。

自上世紀80年代發現水稻光溫敏不育系以來，光溫敏不育系已經廣泛應用于水稻兩系雜交制種。經過四十多年的努力，育種學家發現了十多個水稻光溫敏不育系。近年研究發現，生產上應用的水稻兩系光溫敏不育系中90%以上的品種都是利用現有的tms5位點。一些年份偶發的夏季低溫潮導致帶有該位點不育系育性部分恢復，嚴重影響雜交制種的純度。因此農業生產上迫切需要不育性更為穩定的光溫敏不育系。課題組先前對模式植物擬南芥光溫敏不育機制開展了系統深入的研究，發現低溫下小孢子發育緩慢是育性恢復的共性機制(Zhu et al., 2020, Nature Plants 6:360-367)。光敏不育系育性恢復也是由短光照條件下小孢子發育緩慢所致，因此光照和溫度共同通過調控小孢子發育進程從而恢復育性(Zhang et al., 2020, Plant Physiology 184: 923-932)。課題組篩選到一系列光溫敏不育系的恢復子，揭示了低溫下緩慢發育降低小孢子對細胞壁保護作用的要求從而恢復育性的細胞學機制(Shi et al., 2021, Molecular Plant 14:2104-2114; Wang et al.,2021, Journal of Integrative Plant Biology 64: 717-730)。  

課題組對擬南芥光溫敏不育機制深入解析的基礎上，發明了水稻光溫敏不育系的創制技術，獲得了多個中花11（ZH11）為背景的光溫敏不育系。其中一個命名為ostms18的株系在高溫（HT）下（29 ℃）表現為完全不育，但在低溫(LT)下（23 ℃）育性正常，且其他農藝性狀與野生型相比沒有明顯區別。在 2021 年上海地區偶發的夏季低溫潮的影響下，tms18 與同樣為中花 11 背景的 tms5突變體相比，其高溫不育性狀顯著好于tms5。通過將該位點引入不同背景的水稻品種中發現，含有其純合突變位點的植株仍表現為雄性不育，因此該遺傳位點在兩系雜交水稻育種中具有較好的應用潛力（圖1）。

圖1. ostms18的溫敏不育性狀優于同樣背景的tms5位點

OsTMS18編碼一個在花藥中高效表達的葡萄糖-甲醇-膽堿（GMC）氧化還原酶。先前其他課題組報道該基因強等位突變體np1為完全雄性不育。ostms18中該基因第二個外顯子一個氨基酸發生突變（Gly-Ser）導致光溫敏雄性不育。細胞學分析表明，ostms18 突變體在高溫下花粉外壁第二層的結構發生異常，導致花粉破裂，但低溫下外壁第二層的結構雖然變薄但較為完整。擬南芥中同源基因AtTMS18 的突變體在常溫下（24 ℃）育性正常，高溫條件下（28 ℃）育性顯著降低，同樣表現為溫敏不育性狀。此外，OsTMS18以及 AtTMS18基因分別受到了絨氈層花粉外壁形成關鍵轉錄因子 OsMS188 和 MS188 的直接調控，表明它們都參與到了花粉壁的形成過程中（圖2）。

圖2. OsTMS18基因結構及野生型和突變體在高低溫下的細胞學分析

基于以上研究結果，研究者提出了水稻光溫敏不育系ostms18育性恢復的細胞學機制。在小孢子發育成花粉過程中，需要進行細胞壁的轉換。四分體壁逐漸降解同時緊隨花粉外壁形成，隨后在花粉外壁和質膜之間形成的花粉內壁對成熟花粉粒起保護作用。ostms18中花粉外壁缺陷導致花粉破裂；低溫條件下的緩慢發育，有缺陷的花粉壁足以保護小孢子繼續形成花粉內壁從而恢復育性。另外，該文章對于不同植物的光溫敏育性恢復的差異性進行了分析。水稻在夏季強日照和高溫條件下生長，花粉形成過程中需要更強的花粉壁保護。而擬南芥作為陰生模式植物，小孢子發育過程中對花粉壁保護的要求不高，相關基因的突變體育性更容易恢復。這些結果有助于對于植物光溫敏育性恢復機制的理解（圖3）。

圖3. 植物光溫敏育性恢復的細胞水平機制

在該研究中，上海師范大學博士生張艷飛和李月靈博士為論文共同第一作者，楊仲南教授與朱駿教授為共同通訊作者，黃學輝教授也參與了部分研究工作。該研究得到了國家自然科學基金、上海市教委和科委等課題的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13886

（供稿、圖片：生命科學學院）