邓兴旺水稻 邓兴旺院士等人PNAS:利用核雄性不育基因构建水稻雄性不育系

生物通报道:核雄性不育在开花植物中是很常见的,但是其在杂交育种和种子生产中的应用,还是很有限的,因为无法繁育一个纯的雄性不育系,用于商业杂交种子生产。在最新一期的《PNAS》杂志发表的一项研究中,来自首都师范大学、深圳市作物分子设计育种研究院和北京大学的研究人员,鉴定了一个对于孢子体雄性不育至关重要的水稻核基因,并构建了一个雄性不育系,可大规模地繁育纯的雄性不育种子。

首都师范大学生命科学学院教授、中组部“千人计划”唐晓艳研究员和北京大学生命科学院的邓兴旺院士,是本文共同通讯作者。

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杂交水稻的育种和大规模采用,对世界粮食供应有着重要的贡献。目前,商业杂交水稻生产包括细胞质雄性不育(CMS)系为基础的三系杂交水稻和光周期/温敏性细胞核雄性不育(PTGMS)系为基础的两系杂交水稻。CMS系、保持系和恢复系,是三系杂交水稻系统所必需的。CMS与保持系中缺乏的异常的、通常是嵌合的线粒体基因有关,在恢复系中雄性不育系可被Rf基因抑制。

自上世纪70年代以来,CMS杂交品种已用于商业生产,在2012年覆盖了中国水稻种植面积的约40%。尽管应用广泛,CMS系统仍然存在一些固有的问题,包括恢复系的种质资源狭窄,CMS系和恢复系之间的遗传差异较少,在一定气象条件下的雄性不育性不稳定,异常的线粒体基因对杂种性能的负面影响,以及很难将新的性状转入亲本品系。

这些问题限制了CMS杂交育种的进一步改良,这被认为是过去20年来CMS品种产量停滞不前的原因。

光周期敏感和温敏性不育系是水稻PTGMS种质资源的两种主要类型。目前广泛使用的两个PTGMS基因已被克隆出来:一个是非编码RNA基因,另一个基因编码RNase Z S1。PTGMS不育系的雄性生育是可以逆转的,以响应环境条件,这使得PTGMS不育系能够在恢复雄性不育的环境条件下通过自交进行繁殖,并与恢复系进行异型杂交,以在抑制雄性生育能力的条件下产生杂交种子。

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因为PTGMS性状是由隐性核基因控制的,并且雄性生育力可以通过任何正常的水稻品种而得以恢复,所以,我们可以探索更广泛的遗传资源,用于增强杂种优势。PTGMS水稻是在1995年首次用于农业种植,其种植面积迅速增加,在2012年几乎覆盖了中国20%的稻田。

事实上,目前中国种植的收益最高的品种,大多是PTGMS杂种。然而,PTGMS系也有固有的问题,主要在于其生育力受环境条件的调控。因此,PTGMS种子的繁殖和杂交种子的生产,都需要严格的环境条件,这都很容易受到不可预测的环境变化的影响。

此外,在PTGMS系中,在几代繁殖之后,育性转换的临界温度(CTFC)常常是改变了的,在生产过程中,适当的CTFT的PTGMS个体必定是反复再分离的。此外,CTFT性状受遗传背景的影响,这会显著增加培育新的、实用性的PTGMS系的难度和不确定性。

植物雄性生殖的发展涉及一系列的事件,从雄蕊原基分生组织决定到花粉粒形成和授粉。在任何这些事件中发生的缺陷,都可能会导致雄性不育。在水稻中已经确定了超过40个雄性不育所必需的核基因,但这些基因并没有被发掘用于杂交生产,因为无法在生产规模上繁育纯的雄性不育种子。

在这项研究中,研究人员利用一个命名为OsNP1的核基因,构建了一个水稻雄性不育系。OsNP1编码一个假定的葡萄糖——调节绒毡层和花粉外壁形成的甲醇–胆碱氧化还原酶;它在绒毡层和小孢子中是特异表达的。osnp1突变体植株表现出正常营养生长,但却是对环境条件不敏感的完全雄性不育。

OsNP1与一个α-淀粉酶基因相结合,耗竭转基因花粉和红色荧光蛋白(DsRed)基因,以标记转基因种子,并转化为osnp1突变体。

携带单合子转基因的转基因植物的自交,可按1:1的比例产生转基因雄性不育和转基因的可育种子,可基于DsRed编码的红色荧光而被挑选出来。可育的转基因植物与转基因雄性不育植物的异花授粉,可繁殖出纯度高的雄性不育种子。不育系可与大约1200个可用的水稻种质资源杂交。大约85%的F1代单株产量超过了它们的亲本,并且10%的产量超出了最好的地方品种,表明该技术在杂交水稻育种和生产中是很有前景的。

(生物通:王英)

注:唐晓艳,研究员,博导,中组部“千人计划”和“北京海聚工程引进人才计划”特聘教授,国家作物分子设计工程技术研究中心副主任,中国科学基金海外杰出青年获得者,国际知名植物病理刊物“Molecular Plant Microbe Interaction”的副主编,美国农业部和美国国家自然基金研究项目评审专家。

唐博士在植物分子生物学和植物分子病理学研究领域做出了卓越贡献,享有很高的学术地位。她获得多项美国农业部、美国国家自然基金、美国国家健康研究院和堪萨斯州农业委员会的项目支持,在基础植物分子生物学、遗传学、生物化学、细胞生物学、功能基因组学等研究领域取得了卓越成就,并在农业生物技术研究的研究和应用研究方面积累了丰富经验。

唐博士发表SCI论文和专著50余篇,获得美国专利一项,多篇论文发表在世界尖端学术期刊,如“Science” “PNAS”, “Plant Cell”, “Current Biology”,“EMBO J.” 论文已被引用超过2400余次,多篇论文引用超过100次。

邓兴旺教授是世界著名的生物学家,现任北京大学长江特聘教授,美国耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系终身教授。邓兴旺教授长期从事植物分子遗传及生理学方面的研究。1995年,因他在调控植物光形态建成的有关基因的研究中所取得的杰出成绩,荣获美国总统青年教师奖。

2003年,他获得世界植物分子生物学领域最重要的Kuhmo奖。他曾多次在《细胞》、《科学》、《自然》等世界权威刊物上发表很有影响的学术文章。他领导的实验室所取得的成果处于世界领先水平,其研究成果成为了行业标准。2013年4月30日当选美国科学院新科院士。