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科研进展| Sli基因:一把克服自交不亲和的“万能钥匙”

2021-07-06 10:03:00来源:

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       2021年7月6日,Nature Communications杂志在线发表了云南师范大学尚轶、李灿辉团队和中国农业科学院农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)(以下简称“基因组所”)黄三文团队合作研究的题为“A non S-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes”的论文,报道了马铃薯自交亲和基因Sli (S-locus inhibitor)的克隆及功能解析。

       一百多年来,马铃薯基础研究与产业发展主要围绕“四倍体育种-块茎繁殖”体系开展。生产上常用的四倍体栽培种存在遗传背景狭窄、染色体高度杂合、自交衰退严重、杂交后代分离情况复杂等弊端,造成常规四倍体育种难度大、周期长。二倍体马铃薯种质资源丰富,遗传分析相对简单。水稻、玉米等二倍体作物中成熟的育种理论和工具可直接应用于二倍体马铃薯育种。因此,利用变异丰富的遗传材料构建“二倍体杂交育种-种子繁殖”体系是马铃薯育种新的发展趋势,被誉为马铃薯科研“皇冠上的明珠”。然而由于绝大多数二倍体马铃薯是自交不亲和的,构建“二倍体杂交育种-种子繁殖”体系亟需解决二倍体材料自交不亲和的问题。

       一部分开花植物在长期进化过程中形成了自交不亲和的特性,以抑制自交促进杂交,对于维持物种的基因型多态性具有重要意义。但在育种工作中,作物自交不亲和则严重阻碍了自交系的创制,不利于育种工作的开展。马铃薯的自交不亲和是由高多态性的S位点控制的。S位点主要包括两个紧密连锁的基因,花柱特异表达的S-RNase基因和花粉特异表达的SLF(S-locus F-box)基因。S-RNase蛋白具有核酸酶活性,在花粉管伸长阶段,高浓度的S-RNase蛋白从柱头进入到花粉管中,特异性降解自身花粉管的rRNA,抑制花粉管的进一步伸长,达到排斥自身花粉的目的。花粉中的SLF蛋白,能与ASK1和CULLIN蛋白结合,组成E3泛素复合体,介导异己S-RNase的降解,导致杂交亲和。但是SLF不能介导自身S-RNase的降解,S-RNase继续发挥“细胞毒素”的作用,抑制自身花粉管的伸长,从而导致自交不亲和。

       S-RNase基因和SLF基因相当于“锁”和“钥匙”的关系,要克服自交不亲和,可以直接破坏掉锁,或者找一把“万能钥匙”可以打开所有类型的锁。在前期研究中,黄三文团队利用基因组编辑技术敲除S-RNase基因(Ye et al., Nature Plants, 2018)和筛选S-RNase自然突变体(Zhang et al., Nature Genetics, 2019)的方式获得了自交亲和的材料,相当于“破坏了锁”。在本研究中,该团队找到了一把“万能钥匙”Sli基因。

       1998年,日本和美国科学家首次报道了Sli基因,但该基因一直未被克隆,原因之一是该性状表型评价很难。黄三文团队通过基因组学分析发现,在自交过程中仅含有Sli基因的花粉才能完成双受精,所以自交群体会出现配子体型偏分离,并巧妙的利用这个遗传现象在不进行表型评价的前提下完成了Sli基因的克隆。该基因编码一类在花粉中特异表达的F-box蛋白,与传统SLF蛋白仅能与1-2种类型的S-RNase蛋白相互作用不同,Sli可与10多种类型的S-RNase相互作用,从而介导广泛的自交亲和。因此,Sli基因像一把“万能钥匙”,被国内外科学家广泛应用到二倍体马铃薯育种中。此外,Sli基因的克隆对于其它物种克服自交不亲和具有重要的借鉴意义。

       值得一提的是,Nature Communications杂志以“背靠背”(back to back)的方式报道了荷兰马铃薯育种公司Solynta与瓦赫宁根大学Christian Bachem团队合作从一份野生自交亲和马铃薯材料(Solanum chacoense Bitt.)中克隆Sli基因的工作,进一步显示了该基因对于马铃薯基础研究和遗传改良的重要意义。 

       本研究由基因组所和云南师范大学合作完成,云南师大尚轶教授、基因组所黄三文研究员、云南师大李灿辉教授为论文的共同通讯作者,云南师大马玲博士、基因组所张春芝研究员、云南师大博士生张博为共同第一作者。本研究得到了中国农科院科技创新工程、国家自然科学基金委、深圳市基础研究机构、云南省高层次人才创新创业团队等项目的支持。

       论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24266-7

 

图:含有Sli基因的二倍体马铃薯自交之后的果实

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