南京农业大学最新Cell

杂种不育性制约了籼粳亚种间杂种优势的利用。

2023年7月26日，南京农业大学及中国农业科学院等多单位合作，万建民，吴传银及王海洋共同通讯在Cell 在线发表题为“A natural gene drive system confers reproductive isolation in rice”的研究论文，该研究报道了一个控制籼粳杂交稻雄性配子不育的主要基因座RHS12的鉴定。该研究发现RHS12由两个基因(iORF3/DUYAO和iORF4/JIEYAO)组成，这两个基因赋予RHS12-i型雄性配子优先传递给后代，从而形成自然的基因驱动。

DUYAO编码一种线粒体靶向蛋白，该蛋白与OsCOX11相互作用触发细胞毒性和细胞死亡，而JIEYAO编码一种蛋白，该蛋白通过直接物理相互作用将DUYAO转至自噬体降解，从而使DUYAO解毒。进化轨迹分析表明，该系统可能是在AA基因组稻枝中从头形成的，并对水稻不同谱系之间的生殖隔离(RI)起了重要作用。总之，该研究结果为RI的遗传基础提供了机制见解，并为杂交水稻育种的战略设计提供了见解。

生殖隔离是一种普遍的生物现象，它限制了种群之间的基因流动，因此既是物种形成的指标，也是维持物种特性的机制。多种受精前(合子前)和受精后(合子后)的屏障，如生态位分化、生理隔离和各种形式的杂交不亲和性(HI)，可能有助于动物和植物的RI。HI是指导致种间或种群间杂交种内在适应度降低的有害杂交种特征(如杂交种不育[HS]、坏死、致死率等)，从而促进分化群体间的RI。

基因组冲突假说认为，基因组不同部分之间的冲突是HI的驱动因素。特别是，最近的研究已经确定了一类自私的遗传元件，这些遗传元件被称为毒素解毒剂元件/减数分裂驱动/基因驱动，它们是植物和动物王国中不同野生种群之间遗传不相容的基础。它们通过杀死非携带者，从而颠覆孟德尔的种族隔离定律，确保自己的偏见遗传给后代。虽然这些元素通常由两到三个紧密相连的因子组成，但它们在真菌、植物和动物中没有同源性，其潜在的分子机制仍不清楚。

HS是最常见的HI形式，也是阻碍籼粳亚种之间或栽培稻与野生稻之间强杂种优势。在作物育种中利用的主要限制因素在水稻中已经发现了几十个控制HS的遗传位点；其中，已克隆出HS位点，包括S1、Sa、Sc、qHMS7、S5。值得注意的是，其中一些已被证明形成“毒素解毒剂”或“杀手-保护”系统。例如，在籼稻和粳稻亚种的F1杂交中，控制胚囊育性的S5位点由3个ORF组成：ORF5+(编码杀手)，ORF4+(编码伴侣)和ORF3+(编码保护者)。

在雌性孢子发生过程中，ORF5+和ORF4+共同诱导内质网应激，导致细胞程序性死亡，导致携带ORF3−的胚囊流产。然而，携带ORF3+的配子可以正常发育，并优先传递给下一代。在雄性配子体发生过程中，ORF2以孢子体方式使花粉粒流产，而线粒体定位的ORF3以配子体方式保护花粉粒，从而使携带ORF3的花粉粒选择性传递给后代。尽管在这一领域取得了重大进展，但这些和其他HS位点作用的分子机制仍有待阐明。

文章模式图（图源自Cell ）

本研究报道了籼粳亚种间杂交稻雄性配子不育控制基因座RHS12的鉴定和功能表征。该研究发现RHS12由两个基因(iORF3/DUYAO和iORF4/JIEYAO)组成，并形成了一个天然的基因驱动系统。DUYAO编码一种毒素，与OsCOX11相互作用，引发线粒体功能障碍和细胞毒性，而JIEYAO编码一种解毒剂，通过抑制DUYAO-OsCOX11相互作用，将DUYAO重定向到自噬体降解和解毒，保护携带指示型RHS12等位基因(RHS12-i)的雄性配子，从而使RHS12-i雄性配子选择性传递给后代。总之，该研究提供了对水稻HS和RI的深刻理解，并为使这些元素的工程用于作物育种或公共卫生目的提供了更广泛的视角。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00730-4

转自：“iNature”微信公众号

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