实验室揭示棉花细胞质雄性不育的花粉败育机制

作者：棉花生物学国家重点实验室 日期：2022-04-19 访问量：

实验室邢朝柱研究员团队围绕棉花细胞质雄性不育开展研究，首次鉴定出哈克尼西棉胞质不育系（CMS-D2）携带的线粒体不育相关基因 orf610a ，并初步解析了不育系花粉败育的分子机制。相关研究成果以“The cotton mitochondrial chimeric gene orf610a causes male sterility by disturbing the dynamic balance of ATP synthesis and ROS burst”为题在线发表在农林科学一区《The Crop Journal》期刊上。

细胞质雄性不育（CMS）是一种主要由线粒体基因控制、并可被核恢复基因恢复的母系遗传性状，具体表现为植物不能产生正常可育雄配子，是作物杂种优势利用的重要途径之一，也是研究花药发育和核质互作的理想系统。CMS-D2不育系在不同环境条件下均表现出稳定的无花粉完全败育特征，在棉花“三系”杂种优势利用中具有广阔的应用前景。然而，关于棉花CMS-D2基因功能分析和花粉败育机制研究未见相关报道。

本研究通过对不育系及其保持系的线粒体全基因组序列进行比对分析，鉴定到一个在不育系中特有的嵌合基因 orf610a 。通过转化拟南芥过表达 orf610a 基因，发现阳性株系花丝变短、花粉量变少，并且角果变短、结实率明显降低。研究人员进一步通过分子生物学、生理生化和遗传学等多种分析手段，证实该基因编码蛋白ORF610a与细胞核编码蛋白在跨膜结构区域存在互作，过早启动细胞程序性死亡过程，从而导致花粉败育。该研究为深入揭示棉花细胞质雄性不育及其育性恢复分子机理奠定基础，对选育棉花优良恢复系和强优势胞质不育“三系”杂交种具有重要指导意义。

在读硕士研究生张永杰和韩阳为该论文共同第一作者，吴建勇研究员和邢朝柱研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、天山青年计划和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目的资助。

文章原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514122000617

图1 融合线粒体靶向信号肽序列的orf610a过表达转化拟南芥及花粉育性鉴定

图2 哈克尼西棉细胞质雄性不育系的花粉败育机制