RNase ZS1加工UbL40mRNA控制水稻温敏雄性核不育
2014-05-25周海周明杨远柱曹晓风庄楚雄
周海, 周明, 杨远柱, 曹晓风, 庄楚雄
1. 华南农业大学生命科学学院，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广州 510642；
2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所，植物基因组学国家重点实验室，北京 100101；
3. 湖南亚华种业科学研究院，袁隆平农业高科技股份有限公司，长沙 410125
RNase ZS1加工UbL40mRNA控制水稻温敏雄性核不育
周海1, 周明2, 杨远柱3, 曹晓风2, 庄楚雄1
1. 华南农业大学生命科学学院，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广州 510642；
2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所，植物基因组学国家重点实验室，北京 100101；
3. 湖南亚华种业科学研究院，袁隆平农业高科技股份有限公司，长沙 410125
周海，博士后 周明，博士研究生周海、周明同为第一作者
水稻(Oryza sativa L.)是最主要的粮食作物之一，全世界超过一半的人口以水稻为主食。随着人口的增长和可耕地面积的减少，粮食的供需变得越来越不平衡，增加粮食产量已成为解决粮食供需不平衡的关键措施之一。杂交水稻可以比常规水稻提高20%～30%的产量，是解决粮食短缺问题的重要方法。目前，我国杂交水稻的种植面积约占水稻种植总面积的60%，是我国水稻生产的主要方式。
根据使用不育系类型的不同，杂交水稻的育种方法主要分为两系法和三系法。三系法通过使用细胞质雄性不育系和恢复系产生杂种F1代种子，利用保持系和不育系杂交繁殖细胞质雄性不育系。由于只有少数水稻品种可以作为恢复系，大大降低了恢复系与不育系间的遗传多样性，限制了水稻杂种优势的利用。两系法主要是利用光/温敏雄性核不育系与恢复系杂交产生杂种 F1代种子。光/温敏不育系在长日/高温条件下表现为花粉败育，可作为不育系与恢复系杂交制备杂交种；在短日/低温条件下育性恢复自交结实，实现一系两用。光/温敏雄性核不育系的育性由核基因控制，大多数水稻品种均能恢复其育性，这使得两系杂交水稻育种配组更加自由。两系法利于水稻亚种间杂种优势的利用，对提高杂交水稻组合的产量、品质及抗性等具有更大的优势。此外，光/温敏雄性核不育与细胞质无关，与三系法相比，丰富了细胞质遗传物质的多样性，可以避免三系杂交稻不育细胞质的负效应和细胞质单一可能带来的潜在危险。因此，光/温敏不育系在杂交水稻育种中潜力巨大，成为水稻杂交育种广泛应用的材料。目前，温敏型雄性核不育系是两系杂交水稻育种中应用较为广泛的不育系。
安农 S-1是第一个被发现的籼稻温敏不育系。安农S-1作为不育基因资源被转育成多个不育系，在两系杂交稻育种中广泛应用。株1S是两系杂交早稻使用率最高的籼型温敏不育系之一。安农S-1的育性受隐性核基因tms5控制，株1S的温敏不育基因还不清楚。华南农业大学生命科学学院亚热带农业资源保护与利用国家重点实验室庄楚雄研究员课题组、中国科学院遗传与发育生物研究所植物基因组学国家重点实验室曹晓风研究员课题组与湖南亚华种业杨远柱研究员通过多年的合作研究，定位、克隆了安农S-1和株1S的温敏不育基因——tms5，并揭示了该基因控制水稻温敏不育的分子机理。相关工作已于2014年9月11日在线发表于Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms5884)。
两个课题组分别克隆了控制安农S-1和株1S的温敏不育基因，将其定位在第 2染色体相同的位置。该位置与之前报道的tms5重合。基因预测和序列分析显示，安农S-1和株1S中Os02g0214300编码区第71位碱基均由C突变成 A，形成了一个提前的终止密码。该基因编码的蛋白在温敏不育系中不能被检测到。进一步对我国育种中主要使用的两用光/温敏核不育系进行分析，25个不育系中有24个均含有tms5基因，表明tms5基因是控制我国温敏型不育系的主要不育基因。2011年，我国种植的两系杂交水稻中，有 71个品种是用带有 tms5的两用不育系培育而成，占所有两系杂交稻品种的 71%，其种植面积超过全国两系杂交稻种植面积的80%。
tms5编码了一个短版的RNase Z同源蛋白，命名为RNase ZS1。RNase ZS1具有前体tRNA 3’端内切酶活性，实验表明RNase ZS1在体外能切割前体tRNA，但是由于其定位在细胞质中，推测其不参与细胞核前体 tRNA加工。转录组测序分析显示，3个UbL40mRNA受高温度诱导，在安农S-1和株1S中高表达，而在野生型材料中维持在较低水平。进一步研究发现，这3个UbL40mRNA在花粉母细胞特异性表达，并在温敏不育系中受高温诱导。因此推测RNase ZS1可能通过对UbL40mRNA的加工，调控水稻温敏雄性不育。体内、外实验证明，RNase ZS1能够加工这3个UbL40mRNA。在野生型水稻中过表达UbL40导致雄性不育，在tms5温敏不育系中降低UbL40的表达可以部分恢复花粉育性。这些结果证明RNase ZS1通过抑制受温度诱导的 UbL40mRNA的表达量，控制水稻花粉发育。野生型水稻中，高温诱导 UbL40mRNA的积累，RNase ZS1降解UbL40mRNA，维持花粉育性正常；在tms5温敏不育系中，由于RNase ZS1功能缺失，高温诱导表达的UbL40mRNA过度积累，导致花粉败育。该成果发现了RNase Z的新功能，首次揭示了水稻温敏雄性不育的分子机理(图1)。
图1 RNase ZS1调控水稻温敏雄性不育的工作模型野生型水稻中，高温诱导 UbL40mRNA的积累，RNase ZS1降解 UbL40mRNA，维持花粉育性正常；在tms5温敏不育系中，由于RNase ZS1功能缺失，高温诱导表达的UbL40mRNA过度积累，导致花粉败育。
