揭示菜NsaCMS的雄性敗育機制

　　細胞質雄性不育（CMS）是植物無法產生功能性可育花粉的一種重要的母系遺傳性狀，是作物雜種優勢利用的一個重要途徑，也是研究花藥發育和細胞質—細胞核相互作用的系統。油菜細胞質雄性不育系有的由自然突變產生，如Pol CMS和陜2A CMS，有的通過近緣種雜交產生，如野芥（Nsa）CMS由甘藍型油菜與新疆野生油菜（Sinapis avensis）體細胞雜交獲得。Nsa CMS在不同環境條件下表現出穩定的敗育特征，其恢復系對油菜裂角和黑脛病抗性較好，因而在油菜雜種優勢利用中具有廣闊的應用前景。

　　近日，中國農業科學院油料作物研究所胡瓊團隊在The Crop Journal在線發表了題為“Mitochondrial localization of ORF346 causes pollen abortion in alloplasmic male sterility”的研究論文，報道了Nsa CMS系攜帶的線粒體不育基因orf346，轉化擬南芥可引起花粉敗育，進一步在大腸桿菌（E. coli）中證實，該基因可能通過調控活性氧與能量兩個途徑導致植物花粉敗育。

　　通過比對Nsa CMS與其保持系中雙4號的線粒體基因組序列，鑒定到一個Nsa CMS特有的新基因orf346，其編碼一個具有跨膜結構域和嵌合結構特征的假定蛋白。嵌合基因orf346的5′端序列與cox1部分序列高度同源，通過Cr-RT-PCR（circularized RNA-RT-PCR）證實orf346與nad3和rps12基因共轉錄。為進一步鑒定orf346的功能，將融合或未融合線粒體定位信號的orf346分別在花藥特異性啟動子的驅動下轉化擬南芥，發現兩者均可以導致擬南芥花粉敗育（圖1）。通過亞細胞定位證明ORF346是一個定位于線粒體發揮功能的蛋白。orf346基因在大腸桿菌中誘導表達會顯著抑制細菌的生長，菌體中活性氧（reactive oxygen species, ROS）過度積累、ATP含量降低。這些結果表明，定位于線粒體的ORF346蛋白可引起ROS的積累與降低ATP生成量，可能是通過活性氧與能量兩個途徑導致植物花粉敗育（圖2）。本研究提供了orf346基因與Nsa CMS花粉敗育之間的關聯證據，初步推斷能量供應不足和ROS過度積累是導致Nsa CMS雄性不育的生化基礎。

　　圖1 融合或未融合編碼Rfo信號肽序列的orf346基因轉化載體及其轉基因擬南芥植株

　　圖2 Nsa CMS的雄性敗育機制