Nature Communications (IF=14.914) ǀ 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。

 

马铃薯是第三大主粮作物，为了应对全球粮食安全相关的挑战，改良马铃薯的育种系统迫在眉睫。100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。而二倍体马铃薯种质资源丰富，遗传分析相对简单。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，绝大多数二倍体马铃薯自交不亲和，因此构建“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。

 

研究团队发现，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，则能与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。研究团队将S-RNase基因和SLF基因比作“锁”和“钥匙”的关系。他们认为，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基因和筛选S-RNase自然突变体的方式获得了自交亲和的材料，相当于“破坏了锁”。在此次最新的研究中，该团队则找到了一把“万能钥匙”Sli基因。 

图中描述二倍体马铃薯中Sli进化模型。在茄科中，提出了一个两步模型来解释新SLF的进化，首先与自身S-RNase相互作用，将SC赋予不相容植物。然后，由于这些新的SLF与自身S-RNase相互作用的能力丧失，诱导了从SC到SI的逆转。除了S-RNases的功能丧失（LOF）突变之外，Sli在非S位点区域的出现还代表了一种新的策略，可以将SC赋予自不相容的品系。RH中的S-单倍型是StS-RNases2和3。非自体SLFs或Sli对多种StS-RNases的负调控用虚线表示，这构成了将SC赋予RH和其他自不相容马铃薯的分子基础。SI：自交不亲和；SC：自交；S1-S14从自交不亲和二倍体马铃薯中鉴定出的14种S-RNase；Ch：染色体。

 

 

 

 

图：S-RNases和Sli PP2结构域之间相互作用的萤火虫荧光素酶（LUC）互补成像分析。LUC信号在共表达Sli的PP2结构域和每个S-RNase（以红色标识）的叶区域中捕获，除了S3，S9，S10和S13。Sn表示每种类型的StS-RNase1-14，nLUC表示LUC蛋白的N端，cLUC表示LUC蛋白的C端。实验重复3次，结果相似。

 

 

 

*：本文献中使用了德国伯托的植物活体影像系统Berthold NightShade。

 

 

 

文章链接：

 

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24266-7