甘藍青花菜課題組揭示顯性雄性不育的遺傳調控機制

      近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所甘藍青花菜課題組在甘藍顯性雄性不育遺傳調控機制方面取得重要進展。該研究利用正向遺傳學手段克隆了甘藍顯性雄性不育基因Ms-cd1，發現其啟動子區突變是導致顯性雄性不育的原因，并揭示了BoERF1L通過直接結合Ms-cd1的啟動子，維持其精準表達的機制。相關研究結果以“A natural mutation in the promoter of Ms-cd1 causes dominant male sterility in Brassica oleracea”為題發表在《Nature Communications》上。

       甘藍類蔬菜包含結球甘藍、青花菜、花椰菜、苤藍等多種重要蔬菜作物，其適應性和抗逆性均較強，又具有較高的營養和保健價值，因而在中國乃至世界各地廣泛栽培。目前生產上使用的甘藍品種幾乎全部為一代雜種。傳統的甘藍雜交制種主要依賴于Ogura細胞質不育（CMS），該不育制種體系的缺點是作為母本的不育系死花蕾較多、花朵小、蜜腺不發達、吸引蜜蜂少，導致雜交制種的產量和質量均不高。

       79-399-3是方智遠院士于1979年發現的世界首例甘藍顯性雄性不育（DGMS）突變體。該材料表現為死花蕾少、花朵大，蜜腺發達、可以正常吸引蜜蜂，作為母本生產雜交種時可使產量提高98%。課題組利用回交轉育方法獲得了幾十份結球甘藍、青花菜、苤藍等顯性雄性不育系，建立起顯性雄性不育育種技術體系，配制出“中甘18”、“中甘21”等結球甘藍新品種，“中青9號”等青花菜新品種，使我國甘藍顯性不育利用取得了重大突破。在之前的研究中，甘藍顯性雄性不育基因Ms-cd1被定位在9號染色體的一個區段，但還未被克隆。

       該研究利用三個高代回交群體，將Ms-cd1精細定位在10.9 kb的區段，篩選出Bol035718作為候選基因，該基因編碼一個PHD-finger轉錄因子，在雄蕊中特異表達。在不育材料中，Ms-cd1啟動子區存在一個1 bp的缺失，該突變顯著增強了Ms-cd1的轉錄活性，但沒有改變其組織表達特異性。隨后通過遺傳轉化驗證了該基因的功能；另外利用CRISPR/Cas9對該基因進行敲除，獲得的純合突變體ms-cd1表現為隱性雄性不育（RGMS），且與DGMS敗育表型不同。研究還發現轉錄因子BoERF1L通過直接結合Ms-cd1啟動子，抑制Ms-cd1的表達，從而維持正常的雄性育性。研究團隊還對基于該DGMS的雜交制種體系進行了優化升級。研究結果闡明了甘藍顯性雄性不育形成的遺傳調控機理，為甘藍雜交制種提供了理論依據。

圖1. Ms-cd1的功能驗證

圖2. Ms-cd1啟動子突變導致顯性雄性不育的遺傳調控網絡

圖3. Ms-cd1顯性雄性不育制種體系

       該論文以中國農業科學院蔬菜花卉研究所為第一和通訊作者單位，韓風慶助理研究員、袁凱文博士、孫文茹博士為本論文共同第一作者，方智遠院士、張揚勇研究員、呂紅豪研究員為本論文的通訊作者。黃三文研究員、張春芝研究員、張金喆副研究員對該研究工作進行了重要指導。該研究得到了國家自然科學基金、中國農業科學院創新工程和國家現代農業產業技術體系的資助。

       謹以此文緬懷敬愛的方智遠院士！

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41916-0