近日，海南大学热带作物学院罗越华教授和中科院遗传所李云海研究员联合培养的博士研究生吴伦英以海南大学为第一完成单位在《Nature Communications》（IF=14.919）发表了题为“A natural allele of OsMS1 responds to temperature changes and confers thermosensitive genic male sterility”的研究论文。

高温是造成农作物减产的重要原因之一，研究植物如何感知并响应温度的分子机制，不但可以丰富人们对植物适应环境的认识，而且对将来培育耐高温作物具有重要意义。光温敏雄性不育水稻对我国两系杂交稻育种意义重大而深远。早在1992年我校周庭波教授利用野栽远缘杂交发现并选育成功了87N123即衡农S-1表现高温不育、低温可育，同样是研究植物在特异组织感知并响应温度的绝佳材料。自2009年初步定位和2011年精细定位正向温敏不育基因后，我校罗越华教授课题组联合中国科学院遗传与发育生物学研究所和北京大学等单位开展温敏雄性不育分子机制研究。在这篇文章中，我校博士研究生吴伦英历时10余载，利用图位克隆方法克隆到wenmin1基因（温敏的汉字拼音，图1）。

图1 克隆并验证wenmin1基因功能

有意思的是，研究人员发现wenmin1基因是已知的OsMS1基因等位基因，OsMS1基因的第902位碱基T突变为碱基C，导致第301氨基酸L突变为氨基酸P。在解释OsMS1调控育性的分子机制时，首先发现酵母中OsMS1具有转录激活活性，而L301P的突变显著降低OsMS1的转录激活活性。有意思的是，研究人员将酵母培养在更低的生长温度下，发现相比于正常的30°C，OsMS1^wenmin1的转录激活活性可以在22°C得到部分恢复（图2）。

图2 OsMS1表现出温度依赖的转录激活活性

通过细致的查阅文献，作者推测L301P的突变可能会影响OsMS1蛋白的亚细胞定位。随后通过设计一系列实验，他们证实不论是在单细胞生物酵母，还是双子叶植物拟南芥、烟草以及单子叶植物水稻中L301P的突变都导致OsMS1^wenmin1定位于细胞核和细胞质，而野生型OsMS1^wenmin1定位于细胞核（图3）。这为深入揭示OsMS1^wenmin1导致温敏不育的分子机制提供了重要参考。

图3 L301P突变影响OsMS1蛋白亚细胞定位

考虑到OsMS1同源基因在拟南芥、玉米、大麦等物种的突变都导致彻底的雄性不育，作者推测OsMS1^wenmin1在高温下丢失功能，而在低温下具有正常的功能。为此，作者提出一个大胆假设——L301P的突变是否可能通过影响OsMS1蛋白在高温下的丰度，导致高温下功能的丢失进而影响育性。同样地，作者利用酵母系统、烟草瞬时表达系统、水稻原生质体系统以及水稻稳定转基因系统共同证明高温减少OsMS1蛋白丰度，而OsMS1^wenmin1对温度响应更加敏感，高温下OsMS1^wenmin1蛋白丰度更低（图4）。

图4 温度调控OsMS1蛋白丰度

为了详细揭示OsMS1的调控育性的分子机制，作者利用酵母双杂交实验筛选到一个bHLH转录因子TDR。进一步研究发现，体外大肠杆菌表达的OsMS1和OsMS1^wenmin1与TDR表现出相似的相互作用强度。然而有意思的是，在酵母或烟草中，OsMS1或OsMS1^wenmin1复合物都与TDR表现出温度依赖的相互作用（图5）。这些结果进一步验证温度通过调控OsMS1和OsMS1^wenmin1蛋白丰度，影响其生物学功能。

图5 温度依赖的OsMS1/ OsMS1^wenmin1-TDR复合物

为深入研究OsMS1和OsMS1^wenmin1与TDR互作的生物学意义，作者利用EMSA实验和水稻原生质体实验证实OsMS1和OsMS1^wenmin1与TDR互作并增强TDR结合下游靶基因EAT1启动子的能力（图6）。

图6 OsMS1增强TDR结合EAT1启动子能力

最后，作者发现由于高温导致OsMS1和OsMS1^wenmin1蛋白量的下降，而高温下OsMS1^wenmin1蛋白量下降的更明显，导致OsMS1-TDR和OsMS1^wenmin1-TDR复合物在不同温度下丰度不同，导致高温下wenmin1突变体中，EAT1基因表达更低，最终导致了花粉败育（图7）。

图7 调控花粉发育模式图

本研究揭示了温度调控OsMS1蛋白丰度的一种新机制，有意思的是L301P的突变，导致OsMS1^wenmin1对温度响应更为敏感，进而导致高温不育的表型。值得注意的是，不同物种中OsMS1高度保守。因此，本研究发现为进一步阐明温度调控水稻育性转换的分子机制，指导两系杂交稻育种，乃至在其它作物中创制新的温敏不育系具有深远的意义。

相关论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29648-z

据悉，罗越华教授课题组在读博士研究生吴伦英和海南大学已毕业博士研究生、北京大学博士后景晓辉为共同第一作者。海南大学热带作物学院罗越华(Yuehua Luo)教授和中科院遗传所李云海(Yunhai Li)研究员、北京大学生命科学学院安成才（Chengcai An）教授是这篇论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和海南省重点研发项目等基金的支持。