甘蓝青花菜课题组揭示显性雄性不育的遗传调控机制

      近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所甘蓝青花菜课题组在甘蓝显性雄性不育遗传调控机制方面取得重要进展。该研究利用正向遗传学手段克隆了甘蓝显性雄性不育基因Ms-cd1，发现其启动子区突变是导致显性雄性不育的原因，并揭示了BoERF1L通过直接结合Ms-cd1的启动子，维持其精准表达的机制。相关研究结果以“A natural mutation in the promoter of Ms-cd1 causes dominant male sterility in Brassica oleracea”为题发表在《Nature Communications》上。

       甘蓝类蔬菜包含结球甘蓝、青花菜、花椰菜、苤蓝等多种重要蔬菜作物，其适应性和抗逆性均较强，又具有较高的营养和保健价值，因而在中国乃至世界各地广泛栽培。目前生产上使用的甘蓝品种几乎全部为一代杂种。传统的甘蓝杂交制种主要依赖于Ogura细胞质不育（CMS），该不育制种体系的缺点是作为母本的不育系死花蕾较多、花朵小、蜜腺不发达、吸引蜜蜂少，导致杂交制种的产量和质量均不高。

       79-399-3是方智远院士于1979年发现的世界首例甘蓝显性雄性不育（DGMS）突变体。该材料表现为死花蕾少、花朵大，蜜腺发达、可以正常吸引蜜蜂，作为母本生产杂交种时可使产量提高98%。课题组利用回交转育方法获得了几十份结球甘蓝、青花菜、苤蓝等显性雄性不育系，建立起显性雄性不育育种技术体系，配制出“中甘18”、“中甘21”等结球甘蓝新品种，“中青9号”等青花菜新品种，使我国甘蓝显性不育利用取得了重大突破。在之前的研究中，甘蓝显性雄性不育基因Ms-cd1被定位在9号染色体的一个区段，但还未被克隆。

       该研究利用三个高代回交群体，将Ms-cd1精细定位在10.9 kb的区段，筛选出Bol035718作为候选基因，该基因编码一个PHD-finger转录因子，在雄蕊中特异表达。在不育材料中，Ms-cd1启动子区存在一个1 bp的缺失，该突变显著增强了Ms-cd1的转录活性，但没有改变其组织表达特异性。随后通过遗传转化验证了该基因的功能；另外利用CRISPR/Cas9对该基因进行敲除，获得的纯合突变体ms-cd1表现为隐性雄性不育（RGMS），且与DGMS败育表型不同。研究还发现转录因子BoERF1L通过直接结合Ms-cd1启动子，抑制Ms-cd1的表达，从而维持正常的雄性育性。研究团队还对基于该DGMS的杂交制种体系进行了优化升级。研究结果阐明了甘蓝显性雄性不育形成的遗传调控机理，为甘蓝杂交制种提供了理论依据。

图1. Ms-cd1的功能验证

图2. Ms-cd1启动子突变导致显性雄性不育的遗传调控网络

图3. Ms-cd1显性雄性不育制种体系

       该论文以中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一和通讯作者单位，韩风庆助理研究员、袁凯文博士、孙文茹博士为本论文共同第一作者，方智远院士、张扬勇研究员、吕红豪研究员为本论文的通讯作者。黄三文研究员、张春芝研究员、张金喆副研究员对该研究工作进行了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程和国家现代农业产业技术体系的资助。

       谨以此文缅怀敬爱的方智远院士！

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41916-0