2月5日，湖南省农业科学院杂交水稻研究中心赵炳然团队在植物学国际权威期刊Plant Biotechnology Journal （IF=8.154）在线发表了题为“Rice MutLγ， the MLH1–MLH3 heterodimer, participates in the formation of type I crossovers and regulation of embryo sac fertility”的研究论文。毛毕刚副研究员和隆平分院博士研究生郑文杰为论文的共同第一作者，赵炳然研究员、袁隆平院士，以及华南农业大学刘耀光院士为论文的共同通讯作者。
雌性生殖系统不仅是作物产量形成的主体器官，也是杂种优势利用与固定研究的主要研究对象。水稻雌性系统减数分裂分子机理，包括大孢子母细胞减数分裂中交叉形成的遗传基础尚不清楚。研究水稻雌性不育发生机理具有重要的科学意义。由于雌性突变体的获得及雌性系统发育表型鉴定相对困难，在过去的几十年里水稻雌性不育的研究很少、进程缓慢。
赵炳然团队近三十年持续在杂交水稻远缘种质创新与利用上开展工作，创制了一大批在生产上利用的优异种质，并对转移远缘物种基因组DNA的分子机制开展了深入研究。本论文中的雌性不育突变体fsv1（female sterile variation 1 ）是团队利用转移大黍基因组DNA创制，fsv1的结实率仅为13.7%（野生型为86.9%），花粉有部分败育，有82.7%胚囊败育不能形成七胞八核结构。通过图位克隆和功能分析，确认了控制该突变体雌性不育的基因为OsMLH3，是DNA错配修复家族基因，与大麦HvMLH3和拟南芥AtMLH3同源。虽然MLH3同源蛋白在酵母、动物和拟南芥中的作用已经得到了广泛的研究，但是在水稻中的生物学功能仍然未知。
通过Y2H、BiFC和Co-IP互作研究表明：OsMLH3和OsMLH1相互作用形成异二聚体MutLγ，促进大、小孢子母细胞减数分裂过程中交叉（COs）形成和功能大孢子的发育。fsv1和CRISPR/ Cas9基因敲除系中OsMLH3或OsMLH1缺陷导致I型交叉和二价体频率降低。拟南芥中AtMLH3基因突变导致交叉减少60%，但水稻中OsMLH3突变后交叉仅下降28.9%，说明fsv1和OsMLH3敲除株系中二价体频率和交叉减少相对较弱，而且根据交叉频率的泊松分布统计可知，突变体中仍然存在交叉干扰。
该研究表明OsMLH3是水稻中I型交叉形成的关键蛋白。另外，Osmlh3基因敲除系和fsv1突变系均可作为杂交稻混播混收制种的雌性不育恢复系基因资源加以利用。基础研究方面，减数分裂过程交叉的形成是同源染色体间遗传物质交换，形成具遗传多样性配子的前提。研究交叉形成调控基因对指导作物遗传改良具有重要意义。利用团队搭建的细胞学和分子生物学平台，后续我们将开展OsMLH3蛋白的两个互作蛋白OsMECS1和OsRNF126的功能研究，解析水稻减数分裂I型COs形成关键蛋白OsMLH3的调控网络，为水稻减数分裂同源重组设计育种提供理论依据。
图1 野生型Gui99和突变体Osmlh3-1花粉母细胞减数分裂过程比较
图2 野生型Gui99和突变体Osmlh3-1胚囊发育过程比较
日期：2021-03-23
