玉米细胞质雄性不育及育性恢复研究进展 植物学报    2024, 59 (6): 999-1006.   DOI: 10.11983/CBB24084

表2 玉米中鉴定的与玉米细胞质雄性不育(CMS)育性恢复相关的主效恢复基因

正文中引用本图/表的段落

玉米CMS-T育性恢复主要受2个具有互补效应的显性恢复基因Rf1和Rf2控制(表2), 它们分别位于第3和第9号染色体(Duvick et al., 1961; Snyder and Duvick, 1969; Laughnan and Gabay-Laughnan, 1983)。其中, Rf2是利用转座子标签法克隆的首个Rf基因(Cui et al., 1996), 其序列与哺乳动物的乙醛脱氢酶(acetaldehyde dehydrogenase, ALDH)相似, 育性恢复功能是基于RF2蛋白的ALDH活性(Liu et al., 2001)。与典型的Rf基因不同, Rf2并不影响URF13蛋白的积累(Dewey et al., 1987; Cui et al., 1996)。Cui等(1996)推测Rf2可能通过调控线粒体的能量代谢通路或者通过与URF13蛋白直接/间接互作来减轻不育基因的毒害作用从而使育性恢复。有趣的是, 多数玉米自交系均携带有Rf2基因, 并且是正常胞质中花药发育的必需基因(Liu et al., 2001)。另一个恢复基因Rf1通过对T-urf13转录本的加工使线粒体中URF13蛋白的积累减少(Wise et al., 1996)。此外, Dill等(1997)报道了2个CMS-T中具有部分育性恢复功能的基因Rf8和Rf*, 它们的作用机制与Rf1类似, 也通过降低T-urf13的表达量来恢复育性(Dill et al., 1997)。

玉米CMS-C的育性恢复遗传表现较为复杂。Khey-Pour和Gracen (1980)通过多个自交系与不同CMS-C不育系的系列杂交、回交、自交测验, 发现大多数具有恢复作用的自交系携带1个Rf基因, 一些自交系可能同时携带2个Rf基因, 推测CMS-C的育性恢复可能由单基因或者2个基因控制。后来, 他们利用W182BN和CO107核背景下C胞质各亚组(C、Bb、Es、PR和RB)不育系与多个自交系的系列杂交、自交测验, 证明恢复系均携带1个主效恢复基因(命名为Rf4), 可恢复不同亚组的CMS-C不育系(Kheyr-Pour et al., 1981)。陈伟程等(1979)和汤继华等(2001c)通过CMS-C不育系与恢复系杂交后代的遗传分析, 推测育性恢复受2个显性重叠基因的控制。国内外研究人员先后利用RFLP、AFLP和SSR分子标记均将主效恢复基因Rf4定位于第8号染色体短臂(Sisco, 1991; 汤继华等, 2001a, 2001b, 2001c)。Jaqueth等(2020)采用高密度SNP芯片结合图位克隆, 并通过CRISPR/Cas9系统的基因组定点编辑技术证实GRMZM2G021276是Rf4 (表2), 该基因属于碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)转录因子家族, 其关键位点F187Y氨基酸从酪氨酸转变为苯丙氨酸, 使基因具有恢复CMS-C育性的功能, 但具体作用机理仍不清楚。需要说明的是, 前人研究发现该基因同时也是1个核不育基因(Ms23), 功能缺陷会引起花药发育过程中周缘细胞平周分裂异常, 绒毡层分化受阻, 并最终导致花粉败育(Nan et al., 2017)。汤继华等(2001c)利用SSR分子标记将另一个主效恢复基因Rf5定位在第5号染色体长臂。后来, Hu等(2006)和赵素贞等(2007)在CMS-C不育系C77中发现Rf5显性抑制基因Rf5-I, 利用SSR分子标记将该基因定位于第7号染色体, 并证实其仅对Rf5具有抑制作用, 对Rf4则不具有抑制作用。Zhang等(2023)在强恢复系ZH91中鉴定到1个主效恢复基因(命名为Rf12), 通过精细定位和候选基因分析推测Zm00001d007531为目标基因。Lin等(2024)采用图位克隆, 并通过功能回补和等位性检验确定Zm00001d007531为ZmRf5 (表2), 该基因编码1个靶向线粒体的P型三角状五肽重复(pentatricopeptide repeat, PPR)蛋白。ZmRF5不能直接结合atp6c转录本, 而是通过协同MORF8与RS31A结合形成切割(或育性恢复)复合体对atp6c转录本5′区域部分切割, 进而恢复玉米CMS-C的育性(Lin et al., 2024)。Qin等(1990)认为玉米CMS-C的育性恢复还涉及部分恢复基因Rf6。Vidakovi?等(1997a, 1997b)提出Rf4、Rf5和Rf6并不是玉米CMS-C唯一的恢复体系, 可能还存在其它发挥育性恢复作用的遗传体系。Liu等(2016)通过连锁标记分析, 发现自交系A619中存在1个与Rf5不等位的新恢复基因Rf*-A619。Kohls等(2011)和Zheng等(2020)报道了一些与玉米CMS-C育性部分恢复相关的QTL位点, 这可能也是玉米CMS-C育性恢复表现复杂的原因。

Rf3是玉米中鉴定的唯一1个CMS-S主效恢复基因, 早在1978年就已被定位在第2号染色体长臂(Laughnan and Gabay, 1978)。之后, 国内外研究人员对Rf3的定位与克隆进行了几十年研究, 结果均证实Rf3位于第2号染色体长臂末端(Kamps and Chase, 1997; Gabay-Laughnan et al., 2004; Zhang et al., 2006; Xu et al., 2009; Qin et al., 2020)。近年来, Qin等(2021)成功克隆并且通过CRISPR/Cas9突变证实PPRK2为Rf3 (表2), 该基因编码靶向线粒体的P型PPR蛋白, 通过与orf77结合抑制其编辑和降解, 并且以某种未知机制加速与orf77共表达的不育基因orf355降解, 从而恢复CMS-S的育性。Gabay-Laughnan等(2009)在玉米自交系A619中鉴定到1个CMS-S恢复基因Rf9, 其育性恢复能力较Rf3更弱。Rf9可以降低包含orf355/orf77的线性线粒体亚基因组数量, 表达受自交系核背景以及温度的影响(Gabay-Laughnan et al., 2009)。Tie等(2006)检测到6个与玉米CMS-S育性恢复相关的QTLs。Feng等(2015)利用全基因组关联分析鉴定到19个基因位点与玉米CMS-S的育性恢复显著相关。Su等(2016)利用RNA-Seq在第2号染色体短臂定位到可能与玉米CMS-S育性不稳定相关的5个区域。

目前, 已克隆的Rf基因大多为PPR基因家族成员, 其编码的蛋白靶向线粒体, 通过与不育基因直接或间接作用消除不育基因的影响。除Rf1外, 玉米CMS的4个主效恢复基因均已被克隆。其中, Rf2和Rf4不属于PPR基因家族, 不同的分子特征暗示了其育性恢复机理的特异性及玉米CMS育性恢复机制的多样性。Rf4是科学界公认的强恢复基因, 也是迄今为止发现的唯一编码蛋白位于细胞核的Rf基因, 研究发现该基因需要另一个核基因PPR153 (Zm00001eb114660)配合才能够正常发挥使玉米CMS-C育性恢复的作用(Jaqueth et al., 2024), 表明其调控育性恢复的分子机制可能更加特殊。但需要说明的是, Rf2和Rf4均被证实对玉米雄花正常发育不可或缺(Liu et al., 2001; Nan et al., 2017), 推测其在育性恢复中的作用很可能是在进化过程中重新获得, 通过不同的途径调控花药发育和育性恢复, 2个调控通路之间的互作与联系有待进一步解析。另外2个主效恢复基因Rf3和ZmRf5属于PPR基因家族, 均编码814个氨基酸, 并且序列结构高度相似。这2个基因位于第2号染色体长臂末端相邻位置, 与Rf4调控育性恢复所需要的互补基因PPR153邻近, 该区段存在1个具有高度相似性的PPR基因簇, 可能是进化中基于不同的CMS类型分化出了相应的Rf基因, 解析PPR基因簇的功能有助于深入理解植物CMS育性恢复的分子机理。

玉米CMS-T育性恢复主要受2个具有互补效应的显性恢复基因Rf1和Rf2控制(表2), 它们分别位于第3和第9号染色体(Duvick et al., 1961; Snyder and Duvick, 1969; Laughnan and Gabay-Laughnan, 1983).其中, Rf2是利用转座子标签法克隆的首个Rf基因(Cui et al., 1996), 其序列与哺乳动物的乙醛脱氢酶(acetaldehyde dehydrogenase, ALDH)相似, 育性恢复功能是基于RF2蛋白的ALDH活性(Liu et al., 2001).与典型的Rf基因不同, Rf2并不影响URF13蛋白的积累(Dewey et al., 1987; Cui et al., 1996).Cui等(1996)推测Rf2可能通过调控线粒体的能量代谢通路或者通过与URF13蛋白直接/间接互作来减轻不育基因的毒害作用从而使育性恢复.有趣的是, 多数玉米自交系均携带有Rf2基因, 并且是正常胞质中花药发育的必需基因(Liu et al., 2001).另一个恢复基因Rf1通过对T-urf13转录本的加工使线粒体中URF13蛋白的积累减少(Wise et al., 1996).此外, Dill等(1997)报道了2个CMS-T中具有部分育性恢复功能的基因Rf8和Rf*, 它们的作用机制与Rf1类似, 也通过降低T-urf13的表达量来恢复育性(Dill et al., 1997). ...

玉米CMS-T育性恢复主要受2个具有互补效应的显性恢复基因Rf1和Rf2控制(表2), 它们分别位于第3和第9号染色体(Duvick et al., 1961; Snyder and Duvick, 1969; Laughnan and Gabay-Laughnan, 1983).其中, Rf2是利用转座子标签法克隆的首个Rf基因(Cui et al., 1996), 其序列与哺乳动物的乙醛脱氢酶(acetaldehyde dehydrogenase, ALDH)相似, 育性恢复功能是基于RF2蛋白的ALDH活性(Liu et al., 2001).与典型的Rf基因不同, Rf2并不影响URF13蛋白的积累(Dewey et al., 1987; Cui et al., 1996).Cui等(1996)推测Rf2可能通过调控线粒体的能量代谢通路或者通过与URF13蛋白直接/间接互作来减轻不育基因的毒害作用从而使育性恢复.有趣的是, 多数玉米自交系均携带有Rf2基因, 并且是正常胞质中花药发育的必需基因(Liu et al., 2001).另一个恢复基因Rf1通过对T-urf13转录本的加工使线粒体中URF13蛋白的积累减少(Wise et al., 1996).此外, Dill等(1997)报道了2个CMS-T中具有部分育性恢复功能的基因Rf8和Rf*, 它们的作用机制与Rf1类似, 也通过降低T-urf13的表达量来恢复育性(Dill et al., 1997). ...

玉米CMS-T育性恢复主要受2个具有互补效应的显性恢复基因Rf1和Rf2控制(表2), 它们分别位于第3和第9号染色体(Duvick et al., 1961; Snyder and Duvick, 1969; Laughnan and Gabay-Laughnan, 1983).其中, Rf2是利用转座子标签法克隆的首个Rf基因(Cui et al., 1996), 其序列与哺乳动物的乙醛脱氢酶(acetaldehyde dehydrogenase, ALDH)相似, 育性恢复功能是基于RF2蛋白的ALDH活性(Liu et al., 2001).与典型的Rf基因不同, Rf2并不影响URF13蛋白的积累(Dewey et al., 1987; Cui et al., 1996).Cui等(1996)推测Rf2可能通过调控线粒体的能量代谢通路或者通过与URF13蛋白直接/间接互作来减轻不育基因的毒害作用从而使育性恢复.有趣的是, 多数玉米自交系均携带有Rf2基因, 并且是正常胞质中花药发育的必需基因(Liu et al., 2001).另一个恢复基因Rf1通过对T-urf13转录本的加工使线粒体中URF13蛋白的积累减少(Wise et al., 1996).此外, Dill等(1997)报道了2个CMS-T中具有部分育性恢复功能的基因Rf8和Rf*, 它们的作用机制与Rf1类似, 也通过降低T-urf13的表达量来恢复育性(Dill et al., 1997). ...

玉米CMS-T育性恢复主要受2个具有互补效应的显性恢复基因Rf1和Rf2控制(表2), 它们分别位于第3和第9号染色体(Duvick et al., 1961; Snyder and Duvick, 1969; Laughnan and Gabay-Laughnan, 1983).其中, Rf2是利用转座子标签法克隆的首个Rf基因(Cui et al., 1996), 其序列与哺乳动物的乙醛脱氢酶(acetaldehyde dehydrogenase, ALDH)相似, 育性恢复功能是基于RF2蛋白的ALDH活性(Liu et al., 2001).与典型的Rf基因不同, Rf2并不影响URF13蛋白的积累(Dewey et al., 1987; Cui et al., 1996).Cui等(1996)推测Rf2可能通过调控线粒体的能量代谢通路或者通过与URF13蛋白直接/间接互作来减轻不育基因的毒害作用从而使育性恢复.有趣的是, 多数玉米自交系均携带有Rf2基因, 并且是正常胞质中花药发育的必需基因(Liu et al., 2001).另一个恢复基因Rf1通过对T-urf13转录本的加工使线粒体中URF13蛋白的积累减少(Wise et al., 1996).此外, Dill等(1997)报道了2个CMS-T中具有部分育性恢复功能的基因Rf8和Rf*, 它们的作用机制与Rf1类似, 也通过降低T-urf13的表达量来恢复育性(Dill et al., 1997). ...

本文的其它图/表

• 表1 玉米细胞质雄性不育(CMS)基因及其作用机制