Cell Research | 曹晓风/陈宇航/杨远柱合作团队揭示水稻温敏不育分子机制

责编 | 王一

杂交水稻技术是中国农业科技进步的重要标志之一，自1973年研究成功以来，在中国已累计推广面积6亿公顷，累计增产稻谷8000多亿公斤。在全球已有70多个国家示范推杂交水稻，年种植面积近800万公顷，极大地提高了中国乃至世界的水稻产量，为解决中国乃至世界人民的“吃饭问题”做出了实质性贡献。

目前，中国杂交水稻年种植面积约1466万公顷，占水稻总种植面积的50%。中国独创的两系法杂交水稻育种技术，通过光/温敏雄性核不育系（P/TGMS），实现了不育系的“一系两用”，简化了种子生产流程，节省了资源；同时，由于光/温敏雄性核不育系的育性受隐性核基因控制，不受亲本恢保关系限制，配组自由，恢复系资源利用范围广，因此，更易培育出强优势杂交稻组合。两系法杂交水稻育种技术以其独特的技术和品种优势，成为水稻杂种优势利用的主要途径，据2023年农村农业部全国农作物主要品种推广情况统计数据，我国杂交水稻主要品种种植面积16128万亩，其中两系杂交水稻占8028万亩，占比达49.8%。值得注意的是，超过95%的两系法杂交稻品种的母本源于含温敏雄性不育基因tms5的两用核不育系，凸显了tms5在两系法杂交稻育种中的核心地位。

前期中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风团队和华南农业大学庄楚雄教授团队合作研究发现TMS5编码核酸酶RNase ZS1，tms5上携带的点突变导致RNase ZS1蛋白提前终止，但tms5介导温敏雄性不育的机制仍需深入探究。 中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风团队、陈宇航团队及袁隆平农业高科技股份有限公司杨远柱团队历经十余年合作研究， 揭示了 tms5 通过修复2′,3′-环磷-tRNA调节tRNA循环进而调控水稻温敏雄性不育的分子机制，为作物温敏不育现象提供了机制层面的新见解。相关成果 于2024年9月9日以Impaired 2′,3′-cyclic phosphate tRNA repair causes thermo-sensitive genic male sterility (TGMS) in rice为题发表在Cell Research上。

研究团队首先通过体外酶活系统发现TMS5作为tRNA 2′,3′-环磷酸酶能够介导2′,3′-环磷-ΔCCA-tRNA（cP-ΔCCA-tRNA）的修复。接着，对TMS5的晶体结构进行解析，揭示了其关键酶活位点、二聚化位点以及核酸结合区域。并通过突变和体外酶活实验证实了这些位点对于其酶活性是至关重要的。进一步将关键酶活性位点突变的TMS5分别导入tms5突变体中，通过表型分析发现TMS5的酶活性对维持水稻的高温育性是必需的。随后，研究团队分别开发了高通量测定环磷RNA (RcP-RNA-seq)和全长tRNA (FINE-tRNA-seq)技术，利用这两种高通量测序技术发现 tms5突变体中由于失去环磷tRNA修复酶活，导致cP-ΔCCA-tRNA过度积累，并且高温加剧cP-ΔCCA-tRNA的过度积累。而cP-ΔCCA-tRNA过度积累导致tRNA循环失败、成熟tRNA丰度降低，尤其是丙氨酸tRNA（tRNA-Ala）的丰度降低最为显著。在tms5突变体中过表达tRNA-Ala可使花粉育性最高恢复到70%，说明成熟tRNA缺乏是导致tms5高温不育的主要原因。值得注意的是，cP-ΔCCA-tRNA生成酶OsVms1被敲除则可在高温下完全恢复tms5突变体的雄性育性。

综上，该研究揭示了TMS5突变致使环磷tRNA修复失败、成熟tRNA无法循环再利用，从而导致温敏不育的分子机理。由于玉米TMS5突变也会导致温敏不育的表型，另外TMS5和其哺乳动物同源蛋白ELAC1在结构上非常类似，也具有同样的tRNA环磷酸酶活性，因此，该研究不仅能为其他作物的杂交育种提供理论支持，有助于培育其他作物的温敏核不育系，也为理解人类和高等动物的生殖生物学，尤其是在生殖健康和生育治疗方面提供新的视角。

tms5介导温敏不育的分子机理模式图

曹晓风课题组晏斌博士、刘春艳副研究员、孙婧副研究员、陈宇航课题组已毕业硕士研究生毛洋和曹晓风课题组博士研究生周灿为论文第一作者。曹晓风研究员、陈宇航研究员、杨远柱研究员和刘春艳副研究员为共同通讯作者。宋显伟青年研究员参与了该项研究。该研究得到了农业农村部重大项目、科技部重点研发项目、国家自然科学基金和中国科学院先导项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41422-024-01012-4