揭示菜Nsa CMS的雄性败育机制
细胞质雄性不育（CMS）是植物无法产生功能性可育花粉的一种重要的母系遗传性状，是作物杂种优势利用的一个重要途径，也是研究花药发育和细胞质—细胞核相互作用的系统。油菜细胞质雄性不育系有的由自然突变产生，如Pol CMS和陕2A CMS，有的通过近缘种杂交产生，如野芥（Nsa）CMS由甘蓝型油菜与新疆野生油菜（Sinapis avensis）体细胞杂交获得。Nsa CMS在不同环境条件下表现出稳定的败育特征，其恢复系对油菜裂角和黑胫病抗性较好，因而在油菜杂种优势利用中具有广阔的应用前景。
近日，中国农业科学院油料作物研究所胡琼团队在The Crop Journal在线发表了题为“Mitochondrial localization of ORF346 causes pollen abortion in alloplasmic male sterility”的研究论文，报道了Nsa CMS系携带的线粒体不育基因orf346，转化拟南芥可引起花粉败育，进一步在大肠杆菌（E. coli）中证实，该基因可能通过调控活性氧与能量两个途径导致植物花粉败育。
通过比对Nsa CMS与其保持系中双4号的线粒体基因组序列，鉴定到一个Nsa CMS特有的新基因orf346，其编码一个具有跨膜结构域和嵌合结构特征的假定蛋白。嵌合基因orf346的5′端序列与cox1部分序列高度同源，通过Cr-RT-PCR（circularized RNA-RT-PCR）证实orf346与nad3和rps12基因共转录。为进一步鉴定orf346的功能，将融合或未融合线粒体定位信号的orf346分别在花药特异性启动子的驱动下转化拟南芥，发现两者均可以导致拟南芥花粉败育（图1）。通过亚细胞定位证明ORF346是一个定位于线粒体发挥功能的蛋白。orf346基因在大肠杆菌中诱导表达会显著抑制细菌的生长，菌体中活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度积累、ATP含量降低。这些结果表明，定位于线粒体的ORF346蛋白可引起ROS的积累与降低ATP生成量，可能是通过活性氧与能量两个途径导致植物花粉败育（图2）。本研究提供了orf346基因与Nsa CMS花粉败育之间的关联证据，初步推断能量供应不足和ROS过度积累是导致Nsa CMS雄性不育的生化基础。
图1 融合或未融合编码Rfo信号肽序列的orf346基因转化载体及其转基因拟南芥植株
图2 Nsa CMS的雄性败育机制
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