华中农业大学油菜团队揭示异源四倍体甘蓝型油菜自交亲和的分子机制

 

　　自交不亲和是油菜杂种优势利用的重要途径之一。上世纪70年代，傅廷栋院士通过甘蓝型油菜与白菜（浠水白）杂交，创制了自交不亲和甘蓝型油菜“271”；同时创造性的构建了自交不亲和“三系”（自交不亲和系、保持系、恢复系）育种体系，这是在大田作物应用自交不亲和产生杂种技术上的突破。此外，油菜是由自交不亲和的白菜和甘蓝杂交加倍形成的异源四倍体，其授粉方式已由自交不亲和转变为自交亲和，但其自交亲和的分子机理目前仍知之甚少。因此，深入解析油菜自交亲和形成的分子机制，对促进油菜自交不亲和杂种优势的利用具有极为重要理论及实际意义。

 

　　植物的自交不亲和性受复等位的S位点（S单倍型）控制，其遗传机制复杂。以十字花科为例，其S单倍型包含自交不亲和柱头决定因子SRK和花粉识别蛋白SCR。前期研究表明，异源四倍体油菜的A、C亚基因组上各含有一个调控自交不亲和反应的S单倍型。理论上只需一个S单倍型的SRK和SCR具有自交不亲和功能，油菜就应表现为自交不亲和，那么为什么具有两种S单倍型的油菜还是自交亲和的？白菜中的研究表明，在S单倍型杂合的白菜个体中，显性S单倍型内sRNA产生位点（SMI或SMI2）会产生siRNA（Smi或Smi2），抑制隐性单倍型SCR基因的表达。因此，作者推测作为天然S单倍型杂合物种油菜自交亲和性状的形成与可能其S单倍型间的显隐性相关。

 

　　为解析油菜S单倍型显隐性是否与其自交不亲和性丢失相关，研究人员通过克隆恢复系‘Westar'A亚基因组BnSMI-1，将其导入到自交不亲和系'S-70’中，结果发现转基因阳性的‘S-70’株系均由自交不亲和变为自交亲和。这种性状的转变是由BnSMI-1转基因株系BnSCR-1300和BnSCR-6基因启动子区发生高度DNA甲基化，引起BnSCR-1300和BnSCR-6基因表达沉默导致。

 

　

 

　　先前的研究表明BnSMI2-6位点抑制BnSCR-7基因表达，通过基因编辑技术以保持系‘326’为受体创建了油菜自交不亲和系‘SI-326’（Dou et al 2021）。在本研究中，将BnSMI2-1300转入到‘SI-326’中，使‘SI-326’变为自交亲和，BnSMI2-1300转基因株系自交亲和的原因是BnSCR-7基因启动子区发生高度DNA甲基化，引起BnSCR-7基因表达沉默；而BnSCR-6基因启动子区不发生DNA甲基化，其转录不受影响，表明在油菜中BnS-6与BnS-1300单倍型之间不存在显隐性调控关系。进一步的序列分析显示SMI序列广泛存在于十字花科物种；而SMI2序列仅存在于芸薹属物种中，表明二者可能具有不同的起源。此外，研究人员通过恢复系与自交不亲和系、保持系与自交不亲和系互相授粉，发现BnSCR-1300（具有自交不亲和识别能力）与BnSRK-6之间不能引发自交不亲和反应；而BnSCR-6基因过表达株系花粉授到自交不亲和系油菜柱头上发生自交不亲和反应，暗示着BnSRK-6丢失了自交不亲和识别或信号传导能力。

 

　　

　　油菜恢复系与自交不亲和系杂种F1含有BnS-1、BnS-6和BnS-1300三种S单倍型，BnS-1单倍型的SCR基因因启动子上的转座子插入失活，且BnSMI-1产生BnSmi-1抑制BnSCR-6和BnSCR-1300的转录，从而导致杂种F1中三种S单倍型的SCR均不表达，表现为自交亲和。恢复系自交亲和的机理类似于自交不亲和系与其恢复系杂种F1自交亲和的原因。而在自交不亲和保持系中，一方面，由于受到BnSMI2-6产生的BnSmi2-6的抑制，BnSCR-7不能表达，导致BnS-7单倍型不能表现出自交不亲和性；另一方面，BnSRK-6不具有识别BnSCR-6的能力或不能将自交不亲和信号传递，使BnS-6单倍型亦不能表现出自交不亲和性，二者共同导致自交不亲和保持系油菜自交亲和。简而言之，不论是恢复系还是保持系油菜，其自交亲和的原因都是显性S单倍型因各种原因丧失自交不亲和能力，无功能的显性S单倍型通过sRNA沉默有自交不亲和功能的隐性S单倍型，使有功能的隐性S单倍型不能行使其自交不亲和功能，从而导致亲和。

 

　　

 

　　自交不亲和性的丢失在物种的适应性进化中起着至关重要的作用，也广泛存在于十字花科异源多倍体物种中。本研究以自交不亲和“三系”油菜为材料，解析sRNA（Smi和Smi2）在油菜自交亲和进化中的作用，拓宽了人们对十字花科自交不亲和系统遗传基础及其自交不亲和性丢失的理解，也为埃塞俄比亚芥和芥菜型油菜等物种自交亲和机理解析提供借鉴和参考。

 

　　华中农业大学博士后窦胜玮为论文第一作者，作物遗传改良全国重点实验室戴成副教授为论文通讯作者。华中农业大学博士研究生全成滔、王璐琳，已毕业博士生梁晓梅及已毕业硕士生杨闯；已出站博士后张彤（现单位山东农业大学）及华中农业大学马朝芝教授参与了本研究。本研究得到国家自然科学基金面上、中国博士后基金面上及湖北省创新研究岗位等项目资助。