光溫敏不育作為一個(gè)重要的農(nóng)藝性狀，在水稻兩系法雜交制種中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。盡管在水稻中發(fā)現(xiàn)了諸多的光溫敏不育位點(diǎn)，但是溫度和光照如何影響水稻育性的共性機(jī)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(fā)育緩慢是植物育性恢復(fù)的共性機(jī)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(fā)現(xiàn)的光溫敏位點(diǎn)與擬南芥有很大差異，提示水稻中除了緩慢生長(zhǎng)外，還存在其他光溫敏不育的共性機(jī)制。課題組發(fā)明了水稻光溫敏不育系的創(chuàng)制技術(shù)，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(fā)表兩個(gè)具有直接育種價(jià)值水稻光溫敏不育系的基礎(chǔ)上，本次發(fā)表的是ostms19（圖1）。

圖1.水稻線(xiàn)粒體定位的PPR蛋白OsTMS19的缺陷導(dǎo)致溫敏不育

OsTMS19基因編碼一個(gè)水稻花藥絨氈層表達(dá)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?yōu)镃，導(dǎo)致氨基酸從Val突變?yōu)锳la。野生型水稻小孢子在花藥發(fā)育的第10-11期，進(jìn)行兩次有絲分裂并開(kāi)始合成花粉內(nèi)壁。這個(gè)時(shí)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(shí)期檢測(cè)到強(qiáng)烈的ROS信號(hào)，而在低溫育性恢復(fù)條件下ROS能被有效清除,表明ROS穩(wěn)態(tài)在溫度調(diào)控ostms19過(guò)程中起重要的作用（圖2A）。利用彗星實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，ostms19花粉細(xì)胞核DNA在高溫條件損傷顯著高于低溫條件（圖2B）?；ǚ蹆?nèi)壁由小孢子（配子體）自身基因組控制。高溫下ostms19花粉內(nèi)壁缺陷導(dǎo)致不育，低溫條件下內(nèi)壁正常形成從而恢復(fù)育性（圖2C）。遺傳分析表明OsTMS19在孢子體中發(fā)揮作用，推測(cè)孢子體組織如絨氈層產(chǎn)生的ROS擴(kuò)散到藥室中，影響小孢子基因組以及花粉內(nèi)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(fù)育性。因此，ROS穩(wěn)態(tài)在ostms19的光溫敏不育中發(fā)揮著重要作用。

圖2.溫度通過(guò)ROS穩(wěn)態(tài)調(diào)控ostms19花粉形成和育性

課題組隨后分析了小孢子發(fā)育時(shí)期ROS穩(wěn)態(tài)的改變是否也是其他水稻光溫敏育性轉(zhuǎn)換的共性機(jī)制。結(jié)果表明，在分析的所有三個(gè)水稻P/TGMS植株(tms5、ostms15和ostms18)中，高溫下花藥發(fā)育第10-11期的ROS也存在過(guò)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(yīng)溫度和光照改變的ROS穩(wěn)態(tài)變化可能是水稻光溫敏不育系育性轉(zhuǎn)換的共性機(jī)制。

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

結(jié)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(zhuǎn)換的共性機(jī)制。1）花藥發(fā)育花粉形成過(guò)程中經(jīng)歷一系列細(xì)胞壁的轉(zhuǎn)換：四分體壁-花粉外壁-花粉內(nèi)壁；2）光溫敏基因直接或間接與這一細(xì)胞壁轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。光溫敏不育系(P/TGMS)是相關(guān)基因突變引起；3）高溫/長(zhǎng)光照條件下的快速生長(zhǎng)以及ROS過(guò)量積累，導(dǎo)致小孢子細(xì)胞壁無(wú)法有效轉(zhuǎn)換而呈雄性不育；4）在低溫/短光照下，緩慢發(fā)育降低了小孢子對(duì)細(xì)胞壁保護(hù)作用的要求，以及ROS的及時(shí)清除，保證了作物P/TGMS植株小孢子能發(fā)育成有功能的花粉從而恢復(fù)育性（圖4）。

圖4.水稻光溫敏不育的恢復(fù)機(jī)制示意圖

在該研究中，上海師范大學(xué)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(xué)輝教授以及美國(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)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(xué)學(xué)院）