華南農業大學博士后以第一作者身份在一區Top期刊（IF=24.1）上發表研究論文

近日，華南農業大學農學院陳樂天/劉耀光團隊在Molecular Plant期刊上發表題為“A tripartite pollen killer–protector system confers temperature-sensitive inter-subspecific reproductive isolation in rice”的研究成果。華南農業大學博士后李構思和張雅玲（現為中國科學院分子植物科學卓越創新中心助理研究員）為該論文的共同第一作者，陳樂天教授和劉耀光院士為共同通訊作者。

研究團隊前期鑒定了水稻秈粳雜種不育Sa復合座位中兩個緊密相鄰的關鍵基因SaF和SaM：其中，SaF編碼F-box蛋白，秈稻的SaF+和粳稻的SaF-僅有一個氨基酸的差別；秈稻的SaM+編碼一個具有完整SPL-RING結構域的蛋白，而粳稻的SaM-則編碼一個結構域缺失的截短蛋白。研究團隊在后續研究中發現：Sa座位介導的F1雜種花粉育性在較低溫條件下（23~29℃，如晚季）約為50%，但在高溫條件下（30~35℃，如早/中季）花粉育性提升至75%左右，表明高溫能緩解遠緣雜交水稻的雜種不育。這一有趣現象的背后包含兩個重要的科學問題：1）Sa座位引起花粉敗育的分子機制是什么？2）雜種的花粉育性在高溫下為何不下降反而上升？研究團隊為此展開了長達十多年的深入研究，終于揭開了其神秘面紗。

該團隊通過遺傳群體分析，在Sa座位鑒定到一個決定雜種不育溫度敏感性且與SaF、SaM相鄰的新基因SaFL。SaFL編碼F-box類似蛋白，秈粳稻的SaFL蛋白僅存在2個氨基酸的差異。互補實驗表明，秈稻SaFL+可恢復雜種F1花粉育性；而在F1中敲除SaFL+導致mF1突變體在低溫下全不育，高溫下恢復為半不育；而在F1中敲除SaFL-導致溫敏性消失，mF1花粉在高低溫下均表現為半不育；以上結果充分證明SaFL+是一個強功能的花粉保護（保鏢）基因，SaFL-則是僅在高溫條件下發揮弱功能的花粉保護基因。遺傳分析進一步表明，來自秈稻的SaF+和SaM+形成了Sa座位缺一不可的殺手系統。蛋白互作及競爭實驗證實，SaM+與SaF+、SaFL+/-間均存在互作關系，其中SaM+與SaF+互作的殺手系統不僅受到高溫抑制，還會因SaFL+/-競爭性結合SaM+而受到破壞。該研究還揭示出Sa殺手復合體行使線粒體E3連接酶功能，靶向線粒體活性氧（ROS）清除蛋白COX11，介導其泛素化和26S蛋白酶體降解，從而引起活性氧過量積累導致花粉不育的分子機制。

進一步單倍型分化分析顯示，Sa三基因復合座位從頭起源于非AA基因組的遠緣野生稻，再向AA基因組野生稻擴散。在栽培水稻馴化及其由熱帶地區向溫帶地區擴張的過程中，攜帶殺手基因和弱保護者的單倍型G2（F+M+FL-）在野生稻中持續存在，但在溫帶地區的栽培稻中逐漸被淘汰，秈型（F+M+FL+）和粳型（F-M-FL-）逐漸成為（亞）熱帶和溫帶地區的主流單倍型。由此推測Sa座位的溫敏特性可能是驅動水稻種群的緯度適應和秈粳亞種形成的關鍵所在。

水稻秈粳雜種雄性不育復合座位Sa中，SaF、SaM和SaFL組成一個溫度敏感的花粉“殺手?保鏢”系統，其中秈稻的SaF+和SaM+形成復合體作為“殺手”，靶向線粒體活性氧清除蛋白COX11，促進后者泛素化降解，導致活性氧過量積累從而引起花粉不育。秈稻中的SaFL+是一個強功能的“保鏢”，而粳稻中的SaFL-只在高溫下起作用，是一個弱功能“保鏢”。在秈粳雜種中，一半的花粉攜帶秈稻強功能SaFL+，它能競爭性優先結合SaM+從而破壞殺手復合體，保護花粉正常發育；另一半的花粉攜帶弱功能SaFL-，其在高溫下才發揮功能，使花粉呈現低溫不育，高溫可育的特性。

Sa在水稻亞種間分化及其介導的雜種不育的機制模型

值得注意的是，最初由劉耀光院士團隊在野敗型細胞質雄性不育系統（CMS-WA）發現的植物線粒體ROS清除因子COX11被后續多項研究證實：它是水稻不同育性系統的關鍵共性因子，通過控制ROS穩態而調控花粉育性。