杂交水稻的三系系统（细胞质雄性不育系、恢复系和保持系）和两系系统【温敏核雄性不育系（TGMS）、光敏核雄性不育系和恢复系】被广泛用于杂交水稻育种。TGMS水稻表现为高温不育、低温可育的表型，在两系育种中也可以作为保持系，从而大大降低了种子生产成本。考虑到大部分品种可以恢复TGMS系的育性，在杂交水稻育种中，两系育种比三系育种可利用更广泛的遗传资源。因此，光温敏雄性不育系对我国两系杂交稻育种意义重大而深远。与此同时，高温是造成农作物减产的重要原因之一，研究植物如何感知并响应温度的分子机制，不但可以丰富人们对植物适应环境的认识，而且对将来培育耐高温作物具有重要意义。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李云海团队与海南大学、北京大学研究人员合作发现了水稻温敏不育调控的重要分子机制。该研究发现籼稻TGMS系Tian1S在高温下表现出雄性不育，但在低温下表现出正常的育性，与日长无关。通过遗传分析表明，温敏雄性不育表型由细胞核单个隐性基因OsMS1wenmin1控制。进一步研究发现，高温下OsMS1wenmin1赋予籼粳和粳稻品种温敏不育表型。有意思的是野生型的OsMS1定位于细胞核中，而OsMS1wenmin1定位于细胞质和细胞核中，表明OsMS1保守的L301P的突变影响其亚细胞定位。该研究进一步发现温度调控OsMS1和OsMS1wenmin1的丰度，并且OsMS1wenmin1比OsMS1对温度变化更敏感。在低温条件下，野生型OsMS1和OsMS1wenmin1等位基因分别编码适当水平的OsMS1和OsMS1wenmin1蛋白以保持正常的花粉发育，尽管含有OsMS1wenmin1等位基因的水稻材料中OsMS1wenmin1的水平在细胞核中低于野生型OsMS1。OsMS1和OsMS1wenmin1与转录因子TDR相互作用以激活下游基因的表达，从而产生可育花粉。在高温条件下，OsMS1蛋白的丰度下降，但细胞核中仍有足够的OsMS1蛋白与TDR相互作用以激活下游基因的表达，从而产生可育花粉。相反，高温大大降低了OsMS1wenmin1蛋白水平，因此细胞核中没有足够的OsMS1wenmin1蛋白与TDR相互作用，导致下游基因表达急剧下降并形成不育花粉。
该研究揭示了温度调控OsMS1蛋白丰度的一种新机制，有意思的是L301P的突变，导致OsMS1wenmin1对温度响应更为敏感，进而导致高温不育的表型。值得注意的是，不同物种中OsMS1高度保守。因此，该研究发现对于进一步阐明温度调控水稻育性转换的分子机制，指导两系杂交稻育种，乃至在其他作物中创制新的温敏不育系具有深远意义。
相关研究成果以A natural allele of OsMS1 responds to temperature changes and confers thermosensitive genic male sterility为题于近日在线发表在Nature Communications上。研究工作得到了中科院战略性先导科技专项等项目的资助。
日期：2022-04-28
