華中農大油菜團隊在基因復等位遺傳機制方面取得新進展

5月25日，華中農大油菜團隊楊光圣和洪登峰教授課題組在《The Plant Journal》雜志發表題為“Molecular mechanisms underpinning the multiallelic inheritance ofMS5in Brassica napus”的研究論文，揭示了一個在油菜雜交種制種中被廣泛應用的MS5基因調控的細胞核雄性不育系統的復等位遺傳機制。

細胞核雄性不育是油菜雜種優勢利用的重要途徑之一，也是開展輪回選擇的重要橋梁性狀。其中，Yi3A類型的細胞核雄性不育系統因其育性受到同一基因座位的3個復等位基因MS5a（恢復基因）、MS5b（不育基因）和MS5c（臨保基因）控制，且3者之間具有MS5a＞MS5b＞MS5c的顯隱性關系，可方便實現油菜的“三系化”制種。2016年，該課題組成功克隆了MS5位點的3個復等位基因，并和中科院遺傳所程祝寬團隊合作解析了不育系中減數分裂進程異常的細胞學機制，但復等位遺傳背后的分子機制卻一直不為人所知。

本研究中，通過CRISPR/Cas9基因編輯證明恢復基因MS5a和臨保基因MS5c都是油菜育性維持所必需的，基因缺失后表現出與不育系相同的減數分裂異常表型。MS5a和MS5c基因在恢復或保持MS5b不育方面功能出現分化的主要原因是它們編碼區序列的差異，其次為啟動子區的不同造成的表達量差異。雄性不育基因MS5b編碼一個嵌合蛋白，包含完整的coiled coil（CC）結構域，但缺失了整個MS5superfamily domain（MSD）。MS5a或MS5c蛋白可以通過CC結構域形成同源二聚體，MS5b則能通過殘留的CC結構域與MS5正常功能蛋白競爭性結合，形成無功能的二聚體。由于MS5b和MS5c表達量幾乎相同，在MS5b、MS5c雜合材料中，無功能的異源二聚體占優勢，從而使得油菜減數分裂異常，遺傳上表現為MS5b對MS5c的顯性負效應；而在MS5a、MS5b雜合單株中，由于MS5a的高表達，大劑量MS5a蛋白的積累保證了減數分裂的正常進行。這一結果為遺傳學上完全顯隱性關系的復等位遺傳現象提供了一個新的分子機制解釋；同時，MS5復等位遺傳分子機制的解析，也為MS5調控的雄性不育在油菜及蕓薹屬其他物種中的應用奠定了基礎。