PNAS|万向元教授与袁隆平院士合作成功研发出植物通用型显性不育技术,附专家点评

杂种优势利用是作物种业重大关键核心技术。该技术能够大幅提高作物单产、改良作物品质、提高作物抗逆性、增加作物适应性。我国在袁隆平院士率先开创的水稻雄性不育与杂种优势利用的基础上，通过数代科学家的不懈努力，在水稻杂种优势利用及强优势杂交种创制方面抢占了国际制高点，有效保障了国家粮食安全。但截至目前，杂种优势利用的核心环节雄性不育技术，在玉米等作物上的应用仍然受到很大限制，迫切需要技术突破。

近期，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队与湖南农业大学、湖南杂交水稻研究中心袁隆平院士团队合作，在玉米核雄性不育基因ZmMs7的分子调控研究及植物通用显性雄性不育系统的建立与应用评估方面取得了重要进展。双方以万向元团队发表在国际期刊《Plant Biotechnology Journal》上封面文章报道的ZmMs7基因为基础，进一步解析了该基因调控花药和花粉发育的分子机制，发现ZmMs7为具有转录激活功能的PhD转录因子，可以与玉米NF-YA/B/C三个亚基互作形成多蛋白复合体，直接激活目标基因，在绒毡层发育和花粉外壁形成中起关键作用（图1）。

图1. ZmMs7-NF-YA/YB/YC蛋白复合体直接激活靶基因表达

据此，通过玉米花药特异启动子p5126在玉米中提早3-5天表达ZmMs7基因，可显著改变负责花药和花粉发育的基因表达网络，从而导致完全显性不育；进一步利用p5126-ZmMs7基因元件，成功构建了一个在玉米、水稻和拟南芥中通用型的显性不育（DMS）技术体系（图2）。通用型雄性不育系统的建立对植物的杂交制种非常重要，特别是对于至今还没有克隆雄性不育及其恢复基因的植物更有应用价值。该研究成果于9月9日在线发表于Proc. Natl. Acad. Sci（USA）上，万向元教授和袁隆平院士同为通讯作者，安学丽、马彪、段美娟、董振营为共同第一作者。此外，该成果已于今年8月27日正式授权1项国家发明专利（利用p5126-ZmMs7M构建体创制玉米显性核雄性不育系及其育种制种应用方法，ZL201811450364 .4）。

图2. 通用型显性不育系统创制的玉米、水稻和拟南芥雄性不育系表型

相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家转基因重大专项、中央高校基本科研业务费、国家“万人计划”人才项目和北京市科技计划项目等联合资助。

原文链接：

https://www./content/early/2020/09/08/2010255117

Xueli An#, Biao Ma#, Meijuan Duan#, Zhenying Dong#, Ruogu Liu, Dingyang Yuan, Quancan Hou, Suowei Wu, Danfeng Zhang, Dongcheng Liu, Dong Yu, Yuwen Zhang, Ke Xie, Taotao Zhu, Ziwen Li, Simiao Zhang, Youhui Tian, Chang Liu, Jinping Li, Longping Yuan*, and Xiangyuan Wan*. Molecular Regulation of ZmMs7 Required for Maize Male Fertility and Development of a Dominant Male-sterility System in Multiple Species. Proc Natl Acad Sci, 2020, September 9, 2020

点评专家1: 钱前研究员，中国科学院院士，中国农业科学院作物科学研究所所长，长期从事水稻种质资源创新、功能基因组和分子育种研究

杂交水稻和杂交玉米品种的培育和应用生产，对解决全球的粮食安全问题起到巨大贡献。以袁隆平院士为代表的我国科学家，在上世纪70和90年代先后成功研发了三系和两系杂交稻，1981年“籼型杂交水稻”获得我国第一个发明奖特等奖，2013年“两系法杂交水稻技术研究与应用”荣获国家科技进步特等奖，目前两者的年均推广面积约1.6亿亩和8000万亩，社会和经济效益巨大[1]。然而三系法受恢保关系制约，选育优良组合难度较大，两系法受光温等不可控环境因素的影响容易造成繁制种波动。近年，随着生物技术发展，袁隆平院士和邓兴旺院士分别开启了水稻遗传工程不育[2]和智能不育[3]为代表的第三代杂交水稻育种技术研究，有望克服三系和两系杂交稻的缺点。

目前，玉米杂交种在生产上已基本实现全覆盖，玉米也曾经利用三系法和两系法制种，但因存在各种问题而未能大面积推广。当前杂交玉米制种中母本去雄主要依靠人工、机械和化学药剂，但存在成本高、植株容易受到损伤、污染环境等问题，因此需建立新的玉米雄性不育体系，例如：美国杜邦先锋公司和北京科技大学万向元团队先后成功研发了玉米SPT技术[4]和多控不育（MCS）技术[5]，原理上与水稻第三代杂交育种技术基本一致，统称为作物第三代杂交育种技术。该类技术在应用中需要获得隐性核不育系及其育性恢复基因，限制了其在难以克隆育性恢复基因作物中的应用。

近日，万向元团队与袁隆平院士团队合作，利用玉米花药特异表达启动子p5126和育性恢复基因ZmMs7组成的p5126-ZmMs7-mCherry遗传转化元件，成功建立了一套在玉米、水稻和拟南芥中都适用的显性核雄性不育（DMS）系统，相关研究结果发表在PNAS上。该研究亮点：1）从ZmMs7分子调控机理的基础研究，到DMS系统和ms7不育系的田间应用测试，实现了基础与应用研究的有机结合；2）试验设计系统完整，整合了细胞学、分子生物学、转录组学、脂质组学、生物技术、基因编辑、蛋白生化、常规与MAS育种技术、多环境多性状测试比较等研究策略，数据信息量大，文章内容详实；3）创新性强：深入解析了ZmMs7基因调控机理，并基于ZmMs7功能保守性，构建并利用同一个遗传转化载体，创制不同植物的显性核雄性不育技术体系，对更多作物的不育系快速创制和杂种优势利用有借鉴作用。

参考文献：

[1] 袁隆平，杂交水稻发展的战略，杂交水稻，2018, 33（5）：1-2。

[2] Song et al., A novel strategy for creating a new system of third-generation hybrid rice technology using a cytoplasmic sterility gene and a genic male-sterile gene. Plant Biotechnol. J. (2020)doi: 10.1111/pbi.13457.

[3] Chang et al., Construction of a male sterility system for hybrid rice breeding and seed production using a nuclear male sterility gene. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016, 113, 14145–14150.  

[4] Albertsen et al., Nucleotide Sequences Mediating Male Fertility and Method of Using Same. WO2007002267 2006.

[5] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor. Plant Biotechnol. J. 2018, 16, 459–471.

点评专家2: 严建兵教授，华中农业大学副校长，国家杰青、长江，长期从事玉米功能基因组、种质资源创新和分子育种研究

玉米是杂种优势利用最成功的作物之一，基本实现杂交种全覆盖，其总种植面积和总产量均位于我国三大粮食作物之首。目前，玉米杂交制种主要通过人工或机械对母本去雄，其次基于细胞质不育的三系法在杂交制种中也有少量应用。然而，人工去雄成本高，机械去雄会损伤植株顶部叶片而导致制种产量降低；玉米三系法制种由于不育系是细胞质遗传，存在种质资源利用范围狭窄、育性不稳定、易受专化型病原小种侵染等问题。因此，利用生物技术手段繁殖和保持玉米隐性核雄性不育系的研究获得进展，例如：美国杜邦先锋公司开发的玉米SPT技术[1]和万向元团队创制的玉米多控不育（MCS）技术[2]。该类技术的一大优势是通过转基因技术途径，最终生产的核不育系和杂交种不含有转基因成分，因而在许多国家已解除对此类玉米品种的转基因管控。但是该类技术应用的前提是要有遗传稳定的隐性核雄性不育系和育性恢复基因，因此，在许多没有克隆育性恢复基因的作物中无法得到应用。

近日，万向元教授团队与袁隆平院士团队合作，研究了PHD类转录因子ZmMs7调控玉米雄性发育的分子机理，进一步利用分子设计育种技术，将玉米花药特异启动子p5126和ZmMs7基因相结合，创制了一种在玉米、水稻和拟南芥中都有效的显性核雄性不育技术体系，并系统地试验评估了该技术和ms7不育基因在玉米上的应用潜力和价值。该研究成果日前发表于《PNAS》上。该技术的突出优势是利用了玉米ZmMs7及其同源基因（如水稻OsPTC1[3]和拟南芥AtMs[4]）在不同植物中的功能保守性，通过花药特异启动子p5126促其提前表达3-5天，从而导致玉米、水稻和拟南芥花药和花粉发育调控网络紊乱，最终表现为显性核雄性不育的表型。同时，通过与种子颜色筛选标记基因（mCherry）串联共转化，以实现种子色选分离，即红色荧光种子为转基因不育系种子，正常颜色种子为可育保持系种子。

该技术可以打破植物物种界限，利用同一个遗传转化载体p5126-ZmMs7-mCherry在不同作物（尤其是缺乏天然不育系和没有克隆育性恢复基因的作物）中创制显性核不育系，技术操作简单，不依赖于背景基因型，几乎任何自交系都可以改造为显性核不育系。另外，利用显性核不育系配制的杂交种，一半转基因不育（红色荧光），一半非转基因可育（正常种子颜色），可满足不同国家对转基因作物种植的监管要求，灵活机动地用于生产种植。

参考文献：

[1] Wu et al., Development of a novel recessive genetic male sterility system for hybrid seed production in maize and other cross-pollinating crops.Plant Biotechnol J, 2016. 14(3): p. 1046-54.

[2] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor.Plant Biotechnol J, 2018. 16(2): p. 459-471.

[3] Li et al., PERSISTENT TAPETAL CELL1 encodes a PHD-finger protein that is required for tapetal cell death and pollen development in rice.Plant Physiol, 2011. 156(2): p. 615-30.

[4] Wilson et al., The Arabidopsis MS1 gene is a transcriptional regulator of male gametogenesis, with homology to the PHD-finger family of transcription factors.Plant J, 2001. 28 (1): p. 27-39.

点评专家3: 杨仲南教授，上海师范大学生科院院长，国家杰出青年基金获得者，长期从事植物雄性不育及其分子机理研究

雄性不育是作物杂种优势利用和杂交制种的重要工具。研究雄性不育的分子机理并开发实用的雄性不育技术体系具有重要的理论和应用价值。拟南芥AtMs1是核雄性不育基因，编码一个PHD-finger转录因子，在后减数分裂的花药绒毡层发育和花粉外壁形成中发挥重要调控作用[1-3]。自2001年AtMs1基因首次报道以来，其同源基因陆续在水稻（PTC1/OsMs1）[4]、大麦（HvMs1）[5]和玉米（ZmMs7）[6]中被克隆鉴定。然而，作为花药和花粉发育的重要调控因子之一，目前对AtMs1及其同源蛋白转录调控的分子机制仍知之甚少。最近，Yang等利用水稻OsMs1蛋白C-端PHD结构域做诱饵鉴定到了两个互作蛋白OsMADS15和TIP2，然而其蛋白互作的生物学意义仍不清楚[7]。

日前，PNAS研究论文报道了万向元教授团队与袁隆平院士团队合作发现玉米ZmMs7是一个转录激活子，其自身虽然不能直接结合靶基因，但能够招募ZmNF-YA、YB和YC类转录因子形成蛋白复合体，并结合到靶基因启动子的CCAAT元件，从而激活靶基因的表达。有趣的是，利用玉米花药特异的启动子p5126使ZmMs7在玉米花药中提早1-2个时期（3-5天）表达，可导致ZmMs7靶基因及大量下游基因也提前1-2个时期表达，致使精准调控花药和花粉发育的基因表达网络紊乱，最终导致完全显性雄性不育的表型。基于不同物种ZmMs7同源基因的功能保守性，进一步利用p5126-ZmMs7-mCherry载体转化水稻和拟南芥，同样得到稳定的水稻和拟南芥显性雄性不育材料。

因此，该研究为揭示ZmMs7/PHD-finger类转录因子调控植物雄性发育的分子机制提供了新的观点；同时利用同一个遗传转化载体，开发了一套适用于多种植物的、简单有效的显性雄性不育技术体系。更重要的，该研究为更多的拟南芥雄性不育基因在粮食和经济作物杂交育种和制种中的应用提供了参考和可能。

参考文献：

[1] Wilson et al., The Arabidopsis MS1 gene is a transcriptional regulator of male gametogenesis, with homology to the PHD-finger family of transcription factors. Plant J. 28, 27–39 (2001).

[2] Ito et al., Arabidopsis MALE STERILITY1 encodes a PHD-type transcription factor and regulates pollen and tapetum development. Plant Cell 19, 3549–3562 (2007).

[3] Yang et al., MALE STERILITY1 is required for tapetal development and pollen wall biosynthesis. Plant Cell 19, 3530–3548 (2007).

[4] Li et al., PERSISTENT TAPETAL CELL1 encodes a PHD-finger protein that is required for tapetal cell death and pollen development in rice. Plant Physiol. 156, 615–630 (2011).

[5] Gomez, Wilson, A barley PHD finger transcription factor that confers male sterility by affecting tapetal development. Plant Biotechnol. J. 12, 765–777 (2014).

[6] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor. Plant Biotechnol. J. 16, 459–471 (2018).

[7] Yang et al., OsMS1 functions as a transcriptional activator to regulate programmed tapetum development and pollen exine formation in rice. Plant Mol. Biol. 99, 175–191 (2019).