南湖新聞網(wǎng)訊（通訊員竇勝瑋）近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)在New Phytologist發(fā)表了題為“The self-compatibility is acquired after polyploidization:a case study of Brassica napus self-incompatible trilinear hybrid breeding system”的研究論文，揭示了異源四倍體甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）（AACC）自交親和的分子機(jī)制。

 

　　自交不親和是油菜雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要途徑之一。上世紀(jì)70年代，傅廷棟院士通過甘藍(lán)型油菜與白菜（浠水白）雜交，創(chuàng)制了自交不親和甘藍(lán)型油菜“271”；同時(shí)創(chuàng)造性的構(gòu)建了自交不親和“三系”（自交不親和系、保持系、恢復(fù)系）育種體系，這是在大田作物應(yīng)用自交不親和產(chǎn)生雜種技術(shù)上的突破。此外，油菜是由自交不親和的白菜和甘藍(lán)雜交加倍形成的異源四倍體，其授粉方式已由自交不親和轉(zhuǎn)變?yōu)樽越挥H和，但其自交親和的分子機(jī)理目前仍知之甚少。因此，深入解析油菜自交親和形成的分子機(jī)制，對(duì)促進(jìn)油菜自交不親和雜種優(yōu)勢(shì)的利用具有極為重要理論及實(shí)際意義。

 

　　植物的自交不親和性受復(fù)等位的S位點(diǎn)（S單倍型）控制，其遺傳機(jī)制復(fù)雜。以十字花科為例，其S單倍型包含自交不親和柱頭決定因子SRK和花粉識(shí)別蛋白SCR。前期研究表明，異源四倍體油菜的A、C亞基因組上各含有一個(gè)調(diào)控自交不親和反應(yīng)的S單倍型。理論上只需一個(gè)S單倍型的SRK和SCR具有自交不親和功能，油菜就應(yīng)表現(xiàn)為自交不親和，那么為什么具有兩種S單倍型的油菜還是自交親和的？白菜中的研究表明，在S單倍型雜合的白菜個(gè)體中，顯性S單倍型內(nèi)sRNA產(chǎn)生位點(diǎn)（SMI或SMI2）會(huì)產(chǎn)生siRNA（Smi或Smi2），抑制隱性單倍型SCR基因的表達(dá)。因此，作者推測(cè)作為天然S單倍型雜合物種油菜自交親和性狀的形成與可能其S單倍型間的顯隱性相關(guān)。

 

　　為解析油菜S單倍型顯隱性是否與其自交不親和性丟失相關(guān)，研究人員通過克隆恢復(fù)系‘Westar'A亞基因組BnSMI-1，將其導(dǎo)入到自交不親和系'S-70’中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因陽性的‘S-70’株系均由自交不親和變?yōu)樽越挥H和。這種性狀的轉(zhuǎn)變是由BnSMI-1轉(zhuǎn)基因株系BnSCR-1300和BnSCR-6基因啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生高度DNA甲基化，引起B(yǎng)nSCR-1300和BnSCR-6基因表達(dá)沉默導(dǎo)致。

 

　　先前的研究表明BnSMI2-6位點(diǎn)抑制BnSCR-7基因表達(dá)，通過基因編輯技術(shù)以保持系‘326’為受體創(chuàng)建了油菜自交不親和系‘SI-326’（Dou et al 2021）。在本研究中，將BnSMI2-1300轉(zhuǎn)入到‘SI-326’中，使‘SI-326’變?yōu)樽越挥H和，BnSMI2-1300轉(zhuǎn)基因株系自交親和的原因是BnSCR-7基因啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生高度DNA甲基化，引起B(yǎng)nSCR-7基因表達(dá)沉默；而BnSCR-6基因啟動(dòng)子區(qū)不發(fā)生DNA甲基化，其轉(zhuǎn)錄不受影響，表明在油菜中BnS-6與BnS-1300單倍型之間不存在顯隱性調(diào)控關(guān)系。進(jìn)一步的序列分析顯示SMI序列廣泛存在于十字花科物種；而SMI2序列僅存在于蕓薹屬物種中，表明二者可能具有不同的起源。此外，研究人員通過恢復(fù)系與自交不親和系、保持系與自交不親和系互相授粉，發(fā)現(xiàn)BnSCR-1300（具有自交不親和識(shí)別能力）與BnSRK-6之間不能引發(fā)自交不親和反應(yīng)；而BnSCR-6基因過表達(dá)株系花粉授到自交不親和系油菜柱頭上發(fā)生自交不親和反應(yīng)，暗示著BnSRK-6丟失了自交不親和識(shí)別或信號(hào)傳導(dǎo)能力。

 

　　油菜恢復(fù)系與自交不親和系雜種F1含有BnS-1、BnS-6和BnS-1300三種S單倍型，BnS-1單倍型的SCR基因因啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)座子插入失活，且BnSMI-1產(chǎn)生BnSmi-1抑制BnSCR-6和BnSCR-1300的轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致雜種F1中三種S單倍型的SCR均不表達(dá)，表現(xiàn)為自交親和?；謴?fù)系自交親和的機(jī)理類似于自交不親和系與其恢復(fù)系雜種F1自交親和的原因。而在自交不親和保持系中，一方面，由于受到BnSMI2-6產(chǎn)生的BnSmi2-6的抑制，BnSCR-7不能表達(dá)，導(dǎo)致BnS-7單倍型不能表現(xiàn)出自交不親和性；另一方面，BnSRK-6不具有識(shí)別BnSCR-6的能力或不能將自交不親和信號(hào)傳遞，使BnS-6單倍型亦不能表現(xiàn)出自交不親和性，二者共同導(dǎo)致自交不親和保持系油菜自交親和。簡(jiǎn)而言之，不論是恢復(fù)系還是保持系油菜，其自交親和的原因都是顯性S單倍型因各種原因喪失自交不親和能力，無功能的顯性S單倍型通過sRNA沉默有自交不親和功能的隱性S單倍型，使有功能的隱性S單倍型不能行使其自交不親和功能，從而導(dǎo)致親和。

 

　　自交不親和性的丟失在物種的適應(yīng)性進(jìn)化中起著至關(guān)重要的作用，也廣泛存在于十字花科異源多倍體物種中。本研究以自交不親和“三系”油菜為材料，解析sRNA（Smi和Smi2）在油菜自交親和進(jìn)化中的作用，拓寬了人們對(duì)十字花科自交不親和系統(tǒng)遺傳基礎(chǔ)及其自交不親和性丟失的理解，也為埃塞俄比亞芥和芥菜型油菜等物種自交親和機(jī)理解析提供借鑒和參考。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后竇勝瑋為論文第一作者，作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴成副教授為論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生全成滔、王璐琳，已畢業(yè)博士生梁曉梅及已畢業(yè)碩士生楊闖；已出站博士后張彤（現(xiàn)單位山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）及華中農(nóng)業(yè)大學(xué)馬朝芝教授參與了本研究。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上、中國(guó)博士后基金面上及湖北省創(chuàng)新研究崗位等項(xiàng)目資助。