培育聚合多种优良性状的作物品种，对于满足不断增长的人口的粮食需求至关重要。然而，多基因聚合过程需要进行大量的人工去雄，这对育种家来说非常费时费力。尽管已经在水稻中发现了大量的隐性雄不育突变体，但其雄性不育表型无法在F1代保持。相比之下，显性雄不育（dominant male-sterile，DMS）则成为加速聚合育种的理想材料。当DMS植株作为母本时，每一代杂交后代中都有近50%的雄性不育植株，这极大地方便了基于杂交的多性状/基因的聚合。然而，目前水稻天然DMS基因资源十分匮乏，且多数DMS材料的育性调控机制仍不明朗。
近日，李双成/李平教授团队在《PlantPhysiology》上发表了题为“Manipulation of tapetal degradation provides a dominant male-sterility system for pyramiding breeding in rice”的研究论文，提出了一种创制DMS水稻并应用于聚合育种的新策略。
研究团队利用玉米Ubiquitin启动子驱动育性关键转录因子ETERNAL TAPETUM 1（EAT1）基因在水稻中过表达，成功获得了具有稳定DMS特征的水稻植株。细胞学观察表明，EAT1在花药中的过度表达提前触发了绒毡层程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），从而导致绒毡层过早降解和小孢子发育障碍。由于此前的研究发现EAT1的功能缺失会导致绒毡层降解延迟，表明水稻花粉的正常发育依赖于EAT1的表达稳态，而人为失衡这种稳态可以操纵绒毡层降解并创制DMS植物。此外，该研究还提供了新的分子证据，证实EAT1可直接结合编码半胱氨酸蛋白酶的基因CYSTEINE PROTEASE 1（OsCP1）的启动子并激活其表达，为EAT1的功能调控提供了新的见解。
基于携带pUbi-EAT1元件的稳定DMS植株，研究团队提出了一种在水稻育种中高效、无转基因地聚合优异基因/性状的策略（图1）。考虑到植物绒毡层降解的保守性，该文推测这种基于EAT1的DMS创制策略也可能适用于其他植物。由于DMS已被证实可直接用于玉米等异花授粉作物的杂种优势利用，该系统在现代作物育种工作中可能具有重要的应用价值。
图1：基于pUbi-EAT1的DMS植株的聚合育种策略
在聚合育种中，携带pUbi-EAT1元件的DMS植株作为母本，与具有高产、耐旱或抗病等优异性状的正常父本杂交，后代群体中可保持近50%的雄性不育植株，方便在每一轮大规模聚合中随时添加新的基因。育种家们可以借助常规的基因分型和分子标记辅助选择来快速实现优异基因聚合，并通过收获可育植株的种子来排除转基因成分。此外，pUbi-EAT1元件也可以引入到各种遗传背景中以产生特定的DMS桥梁系。
该团队毕业博士陶阳（现为成都中医药大学助理研究员）、毕业硕士陈豪和邹挺副教授为该论文共同第一作者，李双成教授和李平教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和四川省育种攻关等项目资助。
论文链接：
https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiad486/7260104?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=plphys&utm_medium=email
