12月11日，农学院未来作物精准育种基础研究卓越中心的陈乐天/刘耀光团队在国际著名刊物Molecular Plant（影响因子24.1）在线发表了题为“A tripartite pollen killer–protector system confers temperature-sensitive inter-subspecific reproductive isolation in rice”的研究论文。该研究揭示了水稻Sa座位三基因“杀手‒保镖”系统的分子遗传基础，首次阐明植物杂种不育响应环境温度的全新分子机理，为诠释水稻亚种形成和地理扩张过程中生殖隔离系统的演化机制和环境适应性提供新视角。
生殖隔离是物种形成的关键过程，它阻止不同种群间的基因流动从而促进物种分化。杂种不育是典型的合子后生殖隔离系统，也是制约农作物杂种优势利用的重要障碍。十多年来，有多个植物（主要是水稻）杂种不育位点被克隆，但植物杂种不育受温度等环境因素调控的分子机制一直未被揭示。研究团队前期鉴定了水稻籼粳杂种不育Sa复合座位中两个紧密相邻的关键基因SaF和SaM：其中，SaF编码F-box蛋白，籼稻的SaF+和粳稻的SaF-仅有一个氨基酸的差别；籼稻的SaM+编码一个具有完整SPL-RING结构域的蛋白，而粳稻的SaM-则编码一个结构域缺失的截短蛋白。研究团队在后续研究中发现：Sa座位介导的F1杂种花粉育性在较低温条件下（23~29℃,如晚季）约为50%，但在高温条件下（30~35℃,如早/中季）花粉育性提升至75%左右，表明高温能缓解远缘杂交水稻的杂种不育。这一有趣现象的背后包含两个重要的科学问题：1）Sa座位引起花粉败育的分子机制是什么？2）杂种的花粉育性在高温下为何不下降反而上升？研究团队为此展开了长达十多年的深入研究，终于揭开了其神秘面纱。
该团队通过遗传群体分析，在Sa座位鉴定到一个决定杂种不育温度敏感性且与SaF、SaM相邻的新基因SaFL。SaFL编码F-box类似蛋白，籼粳稻的SaFL蛋白仅存在2个氨基酸的差异。互补实验表明，籼稻SaFL+可恢复杂种F1花粉育性；而在F1中敲除SaFL+导致mF1突变体在低温下全不育，高温下恢复为半不育；而在F1中敲除SaFL-导致温敏性消失，mF1花粉在高低温下均表现为半不育；以上结果充分证明SaFL+是一个强功能的花粉保护（保镖）基因，SaFL-则是仅在高温条件下发挥弱功能的花粉保护基因。遗传分析进一步表明，来自籼稻的SaF+和SaM+形成了Sa座位缺一不可的杀手系统。蛋白互作及竞争实验证实，SaM+与SaF+、SaFL+/-间均存在互作关系，其中SaM+与SaF+互作的杀手系统不仅受到高温抑制，还会因SaFL+/-竞争性结合SaM+而受到破坏。该研究还揭示出Sa杀手复合体行使线粒体E3连接酶功能，靶向线粒体活性氧（ROS）清除蛋白COX11，介导其泛素化和26S蛋白酶体降解，从而引起活性氧过量积累导致花粉不育的分子机制。
进一步单倍型分化分析显示，Sa三基因复合座位从头起源于非AA基因组的远缘野生稻，再向AA基因组野生稻扩散。在栽培水稻驯化及其由热带地区向温带地区扩张的过程中，携带杀手基因和弱保护者的单倍型G2（F+M+FL-）在野生稻中持续存在，但在温带地区的栽培稻中逐渐被淘汰，籼型（F+M+FL+）和粳型（F-M-FL-）逐渐成为（亚）热带和温带地区的主流单倍型。由此推测Sa座位的温敏特性可能是驱动水稻种群的纬度适应和籼粳亚种形成的关键所在。最后，该团队提出了Sa座位介导杂种不育及其演化的分子模型，为利用生物技术（转基因和基因编辑）克服远缘杂种不育和建立新型两系杂交制种技术提供了理论依据。
水稻籼粳杂种雄性不育复合座位Sa中，SaF、SaM和SaFL组成一个温度敏感的花粉“杀手‒保镖”系统，其中籼稻的SaF+和SaM+形成复合体作为“杀手”，靶向线粒体活性氧清除蛋白COX11，促进后者泛素化降解，导致活性氧过量积累从而引起花粉不育。籼稻中的SaFL+是一个强功能的“保镖”，而粳稻中的SaFL-只在高温下起作用，是一个弱功能“保镖”。在籼粳杂种中，一半的花粉携带籼稻强功能SaFL+，它能竞争性优先结合SaM+从而破坏杀手复合体，保护花粉正常发育；另一半的花粉携带弱功能SaFL-，其在高温下才发挥功能，使花粉呈现低温不育，高温可育的特性。
综上，该研究从遗传、分子和进化三方面展开研究，挖掘了三基因“杀手‒保镖”系统响应环境高温调控水稻杂种不育的新机制，深化了我们对生殖隔离机制的理解，也为杂种优势利用和杂交育种技术创新指明了方向。
Sa在水稻亚种间分化及其介导的杂种不育的机制模型
值得注意的是，最初由刘耀光院士团队在野败型细胞质雄性不育系统（CMS-WA）发现的植物线粒体ROS清除因子COX11被后续多项研究证实：它是水稻不同育性系统的关键共性因子，通过控制ROS稳态而调控花粉育性。
华南农业大学博士后李构思和张雅玲（现为中国科学院分子植物科学卓越创新中心助理研究员）为该论文的共同第一作者，陈乐天教授和刘耀光院士为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金重点项目和广东省“十四五”农业科技创新十大重点攻关揭榜挂帅项目、广东省振兴种子产业项目和广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.12.008
文图/农学院
