植物细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）指由细胞质基因引起的雄性生殖器官不能产生有功能花粉的现象，是一种母性遗传性状。目前在很多种植物中都报道了细胞质雄性不育，大都由线粒体不育基因和细胞核恢复基因（Restorer of fertility，Rf）共同调控；细胞质线粒体基因导致雄性不育，而细胞核恢复基因使不育系恢复育性。CMS/Rf为杂种优势利用提供了实用的工具，已被广泛应用于多种作物杂交种子的商业生产中；该体系也为研究植物线粒体-细胞核相互作用和共同进化提供了极好的模型。自上世纪70年代以来，以水稻雄性不育系、保持系和恢复系为基础的三系杂交稻突破了自花授粉作物杂种优势利用的技术瓶颈，为世界的粮食生产做出了突出贡献。但是现有的水稻细胞质雄性不育类型往往存在育性不稳定、育性恢复不彻底、以及两位点模式的恢复基因影响育种效率等问题。
2022年8月15日，华中农业大学张启发院士和欧阳亦聃教授团队联合中国种子集团生命科学技术中心周发松研究员在美国国家科学院院刊（PNAS）在线发表了题为Fujian cytoplasmic male sterility and the fertility restorer gene OsRf19 provide a promising breeding system for hybrid rice的最新成果。该研究克隆了水稻CMS-FA型细胞质雄性不育的不育基因FA182和恢复基因OsRf19，初步解析了OsRf19恢复育性的机理，并通过育种应用证明了水稻CMS-FA/OsRf19系统具有重要的育种应用价值。
CMS-FA/OsRf19是由福建农林大学王乃元教授发现和建立的杂交稻育种体系，其雄性不育性来自于福建的野生稻，为孢子体不育，败育性彻底，单基因恢复且恢复力强。王乃元教授已用这个体系培育出多个优良杂交稻组合。以此为基础，本文发表的研究工作克隆了雄性不育基因和恢复基因，并进行了作用机理分析。
为了找到导致雄性不育的细胞质基因，研究人员对不育系的线粒体基因组进行了测序，通过与多个水稻线粒体基因组进行比对分析，发现了一个部分序列与高粱线粒体基因组序列同源的嵌合基因FA182，将其转化水稻导致雄性不育，该基因还可抑制大肠杆菌的生长。研究人员通过遗传分析将恢复基因OsRf19定位在水稻第10染色体上35 kb的范围内，并在这个区间内预测到四个编码PPR类蛋白的基因，随后通过遗传转化和CRISPR/Cas9突变证实了OsRf19控制水稻CMS-FA的育性恢复。进一步研究表明恢复基因OsRF19蛋白通过剪切不育基因FA182的转录本以极大地降低其含量从而恢复育性；在花药中恢复基因OsRf19能够降低不育基因90%的转录本含量。研究人员利用多个已测序的野生稻和栽培稻的基因组数据进行了OsRf19的演化分析，发现OsRf19为一个PPR基因簇成员，与已经克隆的水稻恢复基因Rf1a/Rf5来自于一个共同的祖先。为展示CMS-FA/OsRf19系统的应用前景，该研究用CMS-FA不育胞质和OsRf19恢复基因培育了多个不育系和恢复系，配制了杂交稻组合。田间试验表明所配制的杂交稻具有优良的农艺性状和产量表现。该研究所展示的单个基因OsRf19能完全恢复不育系的育性这一结果，为杂交稻的培育提供了理论基础和基因资源，具有重要的应用前景。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室张启发教授、欧阳亦聃教授和中国种子集团生命科学技术中心周发松研究员为该论文通讯作者。华中农业大学博士后蒋海潮为该论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目资助。
【英文摘要】Cytoplasmic male sterility （CMS） determined by mitochondrial genes and restorer of fertility （Rf） controlled by nuclear-encoded genes provide the breeding systems of many hybrid crops for the utilization of heterosis. Although several CMS/Rf systems have been widely exploited in rice, hybrid breeding using these systems has encountered difficulties due to either fertility instability or complications of two-locus inheritance or both. In this work, we characterized a type of CMS, Fujian Abortive cytoplasmic male sterility （CMS-FA）， with stable sporophytic male sterility and a nuclear restorer gene that completely restores hybrid fertility. CMS is caused by the chimeric open reading frame FA182 that specifically occurs in the mitochondrial genome of CMS-FA rice. The restorer gene OsRf19 encodes a pentatricopeptide repeat （PPR） protein targeted to mitochondria, where it mediates the cleavage of FA182 transcripts, thus restoring male fertility. Comparative sequence analysis revealed that OsRf19 originated through a recent duplication in wild rice relatives, sharing a common ancestor with OsRf1a/OsRf5, a fertility restorer gene for Boro II and Hong-Lian CMS. We developed six restorer lines by introgressing OsRf19 into parental lines of elite CMS-WA hybrids; hybrids produced from these lines showed equivalent or better agronomic performance relative to their counterparts based on the CMS-WA system. These results demonstrate that CMS-FA/OsRf19 provides a highly promising system for future hybrid rice breeding.
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208759119
