助力大豆杂交育种，广州大学研究团队解析大豆MS1核不育基因的分子机制

来源 | 中国科学生命科学

杂交育种技术的推广显著提高了水稻、玉米、小麦和油菜等作物的产量。目前全国审定的大豆杂交种有30余个，均由“三系”法育成。受制于亲本种质资源有限、转育周期长等因素，难以充分发挥杂种优势潜力。第三代杂交育种技术基于核雄性不育基因和遗传工程改良，为克服上述技术瓶颈提供了新的思路。因此，克隆大豆核雄性不育基因并解析其功能，将为建立大豆第三代智能核不育系统提供技术支撑。

7月2日，Science China Life Sciences在线发表题为“MS1 is essential for male fertility by regulating the microsporocyte cell plate expansion in soybean”的研究论文。该研究报道了通过正向遗传学手段对大豆核雄性不育位点ms1的精细定位和克隆，并解析了该基因功能，为大豆第三代杂交育种系统的应用提供了材料及理论支撑。

该研究以ms1两个等位突变体ms1-2(Ames)和ms1-3(Urbana)分别与Jilin20(JL20)和Jilin21(JL21)构建的两组BC5F2高世代回交群体为研究对象，利用BSA-seq分析将候选基因初步定位于13号染色体上，进一步精细定位将候选区间缩小到182 kb（图1），该区间共有17个编码基因。分析该区间碱基变异信息，发现ms1-2和ms1-3两个突变体均在编码驱动蛋白(Kinesin)基因Glyma.13G114200外显子处存在变异, 其中ms1-2在编码区的1470位缺失了碱基G，导致其编码蛋白提前翻译终(539AA)，ms1-3在编码区的787位碱基由C变为T，导致其蛋白质马达结构域(Motor domain)第263位保守的精氨酸(Arg)突变为半胱氨酸(Cys)（图1）。

图1 MS1精细定位

早期研究发现ms1-1(North Carolina)突变体不能进行减数分裂后的胞质分裂，导致其花粉粒变大，体内不能萌发，雄性育性完全丧失 (Brim and Young,1971; Albertsen and Palmer, 1979)。该研究发现ms1-2和ms1-3两个突变体都具有与ms1-1相似表型（图2B为ms1-3花粉表型）。同时，对CRISPR/Cas9基因敲除材料表型分析发现，ms1cr-1和ms1cr-2两个独立株系也具有同样的花粉粒变大并败育表型（图2G）。这些结果进一步确定Glyma.13G114200编码大豆雄性育性基因MS1。

图2 MS1表型验证

通过烟草瞬时转化、拟南芥微管标记株系pTUB6::mCherry-TUB6 共转化以及大豆花药免疫荧光等实验（图3）对MS1蛋白进行初步功能研究，发现MS1主要定位于细胞核中，与微管蛋白共定位，在花药减数分裂末期参与细胞板的形成。

图3 大豆花药免疫荧光染色

最近有两篇文章也报道了MS1的另外一种大片段缺失突变类型，并提供了可有效编辑MS1基因的靶点信息(Jiang et al., 2021;Nadeem et al., 2021)，以上研究将极大促进MS1在第三代大豆杂交育种中的应用。

广州大学李美娜副教授、孔凡江教授，吉林省农业科学院张春宝研究员和河北省农林科学院粮油作物研究所张孟臣研究员、秦君研究员为本文共同通讯作者。广州大学博士后方小龙、硕士研究生孙小媛，吉林省农业科学院杨向东研究员和中国水稻研究所李清博士为该文共同第一作者。该研究获得了国家自然科学基金的资助。

参考文献：

Brim, C.A., and Young, M.F. (1971).Inheritance of a male-sterile character in soybeans.Crop Sci 11, 564–566.

Albertsen, M.C., and Palmer, R.G. (1979).A comparative light- and electron-microscopic study of microsporogenesis in male sterile (MS1) and male fertile soybeans (Glycine max (L.) Merr.). Am J Bot 66, 253–265.

Jiang, B., Chen, L., Yang, C., Wu, T., Yuan, S., Wu, C., Zhang, M., Gai,J., Han, T., Hou, W., et al. (2021).The cloning and CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of a male sterility gene MS1 of soybean.Plant Biotechnol J 19, 1098–1100.

Nadeem, M., Chen, A., Hong, H., Li, D., Li, J., Zhao, D., Wang, W., Wang,X., and Qiu, L. (2021).GmMs1 encodes a kinesin-like protein essential for male fertility in soybean (Glycine maxL.).J Integr Plant Biol 63, 1054–1064.

论文链接：

https://www.sciengine.com/doi/10.1007/s11427-021-1973-0