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杂交水稻在我国乃至世界粮食生产中占有重要地位。近几十年来,几代科学家不断改进杂交方法,提高杂交水稻的品质和产量。其中,温敏雄性不育系作为两系杂交育种的重要组成部分,探索如何根据温度变化恢复其育性对农业生产具有重要的指导意义。上海师范大学生命科学学院教授杨仲南多年来一直致力于植物温敏转化机理的研究,目前已取得突破性进展。3月30日,自然之子公司自然植物出版了该团队的最新原创成果。《自然植物》是《自然》的一个子刊,是自然出版集团推出的第一本关注植物生物学各领域优秀研究成果的期刊,也是《植物科学》的顶级期刊,影响因子为13.297。

他主要发表了植物科学纯理论与应用领域的杰出研究成果,涉及分子与细胞生物学、遗传学、农学、生态学、生物技术等领域,探讨了植物学前沿研究的社会和政治影响。自20世纪80年代发现TGMS以来,TGMS已广泛应用于杂交水稻制种。目前,水稻温敏不育基因座已超过10个。近年来,国内研究团队克隆并报道了多个温敏雄性不育基因,包括长链非编码RNA、RNase Z家族成员、富含亮氨酸受体激酶基因等,这些工作极大地促进了对温敏雄性不育机理的认识。

然而,温度作为一种常见的环境信号,如何恢复由不同基因座决定的温敏不育系还不清楚。杨仲楠的团队长期从事植物雄性不育机理的研究。研究小组偶然发现,一个拟南芥不育系能够在低温下恢复生育能力,并命名为可逆雄性不育(rvms-1)。该基因编码一种具有gdsl结构域的脂肪酶,在小孢子母细胞中特异表达,在小孢子发育到成熟花粉粒的过程中提供质膜材料。能够在低温下恢复生育能力的RVMS小组成员、副教授朱军说,低温延缓植物生长发育是一种普遍现象。

因此,研究小组推测,低温下缓慢的生长速率将有助于RVMS小孢子积累足够的物质,发育成功能性花粉粒。为了证明这一点,研究小组利用化学诱变方法筛选了RVMS突变体res1的恢复子,该突变体是细胞周期蛋白依赖性激酶CDKA;1的弱突变体。突变体减数分裂过程明显延长,有效地保护了小孢子发育过程。另外,rvms-1与一个生长缓慢的突变体chlm-4杂交后,其双突变体能够部分恢复生育能力。这些结果表明,低温引起的缓慢生长是RVMS育性恢复的机制。

恢复者res1延迟减数分裂。在本研究中,我们发现了一些与花粉外壁形成有关的不育突变体,如cals5、rpg1、acos5、cyp703a2和abcg26,它们与花粉合成有关。这些突变体的育性在低温下也能恢复,说明它们也具有温敏效应。上述筛选得到的恢复系res1能够在室温下恢复上述突变体的育性,说明缓慢生长也是这些温敏突变体物理恢复的机制。植物在低温下生长缓慢是自然界普遍存在的现象,高等植物的生殖发育过程是高度保守的。

因此,本文提出缓慢生长是植物温敏不育恢复的普遍机制。阐明植物温敏核不育的转化机理,将加深对植物生殖发育的认识,为温敏核不育在育种中的应用提供理论依据。本研究不仅揭示了温度对植物生长发育的调节作用,而且为水稻二线育种提供了理论和技术支持,具有重要的实用价值。在杨仲楠教授的指导下,课题组的朱军、娄跃等与上海师范大学的几位本硕、博学的学生一起,十年磨刀霍霍,终于取得了这一重量级的成绩。本文作者为生命科学学院副教授朱军、娄跃、石强生、博士生张森、杨仲南。

杨中南研究集团张诚、姚晓珍、杨军、徐特、周文涛、刘嘉莉,2017年硕士研究生周雷、侯剑桥,2018年生物科学优秀创新班王嘉琪,学院黄学辉、王水参加了本文的相关工作。这项研究得到了国家重点研发计划、国家基金委和上海市教委的支持。主编:季爱玲。。

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