华南农业大学博士后以第一作者身份在一区Top期刊（IF=24.1）上发表研究论文

近日，华南农业大学农学院陈乐天/刘耀光团队在Molecular Plant期刊上发表题为“A tripartite pollen killer–protector system confers temperature-sensitive inter-subspecific reproductive isolation in rice”的研究成果。华南农业大学博士后李构思和张雅玲（现为中国科学院分子植物科学卓越创新中心助理研究员）为该论文的共同第一作者，陈乐天教授和刘耀光院士为共同通讯作者。

研究团队前期鉴定了水稻籼粳杂种不育Sa复合座位中两个紧密相邻的关键基因SaF和SaM：其中，SaF编码F-box蛋白，籼稻的SaF+和粳稻的SaF-仅有一个氨基酸的差别；籼稻的SaM+编码一个具有完整SPL-RING结构域的蛋白，而粳稻的SaM-则编码一个结构域缺失的截短蛋白。研究团队在后续研究中发现：Sa座位介导的F1杂种花粉育性在较低温条件下（23~29℃，如晚季）约为50%，但在高温条件下（30~35℃，如早/中季）花粉育性提升至75%左右，表明高温能缓解远缘杂交水稻的杂种不育。这一有趣现象的背后包含两个重要的科学问题：1）Sa座位引起花粉败育的分子机制是什么？2）杂种的花粉育性在高温下为何不下降反而上升？研究团队为此展开了长达十多年的深入研究，终于揭开了其神秘面纱。

该团队通过遗传群体分析，在Sa座位鉴定到一个决定杂种不育温度敏感性且与SaF、SaM相邻的新基因SaFL。SaFL编码F-box类似蛋白，籼粳稻的SaFL蛋白仅存在2个氨基酸的差异。互补实验表明，籼稻SaFL+可恢复杂种F1花粉育性；而在F1中敲除SaFL+导致mF1突变体在低温下全不育，高温下恢复为半不育；而在F1中敲除SaFL-导致温敏性消失，mF1花粉在高低温下均表现为半不育；以上结果充分证明SaFL+是一个强功能的花粉保护（保镖）基因，SaFL-则是仅在高温条件下发挥弱功能的花粉保护基因。遗传分析进一步表明，来自籼稻的SaF+和SaM+形成了Sa座位缺一不可的杀手系统。蛋白互作及竞争实验证实，SaM+与SaF+、SaFL+/-间均存在互作关系，其中SaM+与SaF+互作的杀手系统不仅受到高温抑制，还会因SaFL+/-竞争性结合SaM+而受到破坏。该研究还揭示出Sa杀手复合体行使线粒体E3连接酶功能，靶向线粒体活性氧（ROS）清除蛋白COX11，介导其泛素化和26S蛋白酶体降解，从而引起活性氧过量积累导致花粉不育的分子机制。

进一步单倍型分化分析显示，Sa三基因复合座位从头起源于非AA基因组的远缘野生稻，再向AA基因组野生稻扩散。在栽培水稻驯化及其由热带地区向温带地区扩张的过程中，携带杀手基因和弱保护者的单倍型G2（F+M+FL-）在野生稻中持续存在，但在温带地区的栽培稻中逐渐被淘汰，籼型（F+M+FL+）和粳型（F-M-FL-）逐渐成为（亚）热带和温带地区的主流单倍型。由此推测Sa座位的温敏特性可能是驱动水稻种群的纬度适应和籼粳亚种形成的关键所在。

水稻籼粳杂种雄性不育复合座位Sa中，SaF、SaM和SaFL组成一个温度敏感的花粉“杀手‒保镖”系统，其中籼稻的SaF+和SaM+形成复合体作为“杀手”，靶向线粒体活性氧清除蛋白COX11，促进后者泛素化降解，导致活性氧过量积累从而引起花粉不育。籼稻中的SaFL+是一个强功能的“保镖”，而粳稻中的SaFL-只在高温下起作用，是一个弱功能“保镖”。在籼粳杂种中，一半的花粉携带籼稻强功能SaFL+，它能竞争性优先结合SaM+从而破坏杀手复合体，保护花粉正常发育；另一半的花粉携带弱功能SaFL-，其在高温下才发挥功能，使花粉呈现低温不育，高温可育的特性。

Sa在水稻亚种间分化及其介导的杂种不育的机制模型

值得注意的是，最初由刘耀光院士团队在野败型细胞质雄性不育系统（CMS-WA）发现的植物线粒体ROS清除因子COX11被后续多项研究证实：它是水稻不同育性系统的关键共性因子，通过控制ROS稳态而调控花粉育性。