钱前/商连光团队解析活性氧调控水稻雄性不育的作用机制

花药是开花植物繁殖的关键雄性器官，在水稻中，花药由花药壁和生殖细胞所组成，而花药壁包含4层体细胞，由外往内分别为表皮、内皮层、中层和绒毡层，它们围绕生殖细胞，为其提供保护和营养。水稻育种家通常对花药的发育特别感兴趣，因为由花药发育缺陷引起的雄性不育是两系和三系杂交育种的核心组成部分。在水稻花药中，乌氏体是由绒毡层细胞分泌产生的分布在其表面的独特U形分泌结构，介导绒毡层产生的糖、脂质、蛋白质和孢粉素前体等营养物质的输出，促进雄性小孢子细胞发育。另外，在花药发育中，包括过氧化氢和超氧阴离子的活性氧作为细胞中的重要氧化剂，已被报道会引发水稻雄性不育。然而，活性氧稳态在花药绒毡层发育、乌氏体形成及对雄性生殖的调控机制尚不清楚。

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合崖州湾国家实验室、福建省农业科学院和云南省农业科学院等单位在New Phytologist上发表了题为Oxidative burst causes loss of tapetal Ubisch body and male sterility in rice的研究论文，该研究鉴定到了一个花药特异表达的过氧化物酶基因NUP1，并全面揭示了活性氧调控水稻雄性不育的作用机制。

该研究鉴定到了一个组培诱发突变的水稻雄性不育性突变体，并通过BSA混池测序分析联合精细定位克隆了不育基因NUP1，该基因编码一个III类过氧化物酶。研究团队通过半薄切片、透射电镜、扫描电镜和TUNUL染色等手段，发现NUP1的缺失导致水稻花药发育后期完全没有乌氏体形成和花粉粒产生，但不影响绒毡层细胞程序性死亡进程，证明了该突变体乌氏体缺失不是由绒毡层细胞发育异常引起，而是由NUP1的功能缺失所导致。接下来，研究团队通过qPCR、原位杂交和自身启动子驱动的NUP1-GFP转基因水稻，证明了NUP1具有花药组织特异性的表达模式，通过烟草叶肉细胞和水稻原生质体亚细胞定位观察，证明NUP1蛋白定位于细胞质内。进一步通过花药NBT染色，研究团队发现不同于野生型花药发育后期活性氧大量减少，突变体该时期花药中活性氧大量爆发，并通过直接测定活性氧分子过氧化氢和丙二醛含量得到进一步的验证，证明了过氧化物酶基因NUP1参与花药发育后期活性氧的清除。最后，研究团队通过花药转录组和代谢组分析，发现NUP1的缺失会导致了花药中氧化还原过程、糖类和脂质代谢紊乱。

综上，该研究揭示了NUP1功能的丧失引发花药中活性氧爆发，进而破坏了氧化还原过程、糖类和脂质代谢异常以及绒毡层乌氏体丧失最终导致水稻雄性不育的调控机制，该研究扩展了活性氧稳态对调节花药中细胞代谢、绒毡层乌氏体形成以及雄性育性分子机制的理解。

图1 NUP1调控水稻雄性育性模式图

中国农业科学院深圳农业基因组研究所施传琳副研究员、福建省农科院杨绍华副研究员、中国农业科学院深圳农业基因组研究所硕士研究生崔燕、副研究员徐展为论文的共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所商连光研究员、崖州湾国家实验室钱前院士、云南省农科院张玉研究员和福建省农科院刘华清研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和福建省政府与中国农业科学院合作农业优质发展和超越“5511”合作创新项目资助。

http://doi.org/10.1111/nph.20023