植物细胞质雄性不育（CMS）是三系杂交作物育种的核心遗传材料，也是研究核质互作的经典模型。CMS基因通常是一类在植物不同组织中组成型表达的线粒体基因，其编码蛋白却只在花药中特异性积累，从而仅导致花粉（雄配子）败育。CMS不育蛋白这种时空特异性积累模式广泛存在于水稻、玉米、油菜、甜菜、菜豆等多种作物，但其分子调控机理是一个长期悬而未决的科学谜题。
近日，华南农业大学农学院、广东省高等学校未来作物精准育种基础研究卓越中心陈乐天/谢勇尧团队在国际著名学术期刊《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA，简称PNAS）在线发表了题为“Ubiquitin-mediated degradation restricts spatiotemporal accumulation of the cytoplasmic male sterility protein WA352 to anthers in rice”的研究论文。
该研究发现泛素-蛋白酶体系统（UPS）是介导CMS蛋白在营养器官持续被降解的关键途径；详细阐明了UPS系统核心元件调控CMS蛋白在花药时空特异性积累的分子机理，从而揭开了核基因监控线粒体蛋白积累的分子谜题，也为CMS系统在杂交育种中的可持续发展与应用提供了新理论指导依据。
水稻野败型CMS（CMS-WA）是当前三系杂交稻生产中应用最广的不育系统（占比超过90%）。研究表明：CMS-WA不育基因WA352呈现组成型表达，其编码蛋白WA352通过结合线粒体呼吸链的重要组成元件细胞色素c氧化酶11(COX11)，引起过氧化物爆发而产生细胞毒性。进一步研究发现，WA352蛋白仅在花药小孢子母细胞时期积累，导致水稻花粉败育；在营养器官及其他发育时期，WA352则持续被UPS途径降解，从而避免对植株正常生长发育造成损害。深入的分子研究显示，UPS降解系统的E3核心元件F-box蛋白（WIF）与WA352互作，通过识别并泛素化WA352蛋白的N端线粒体跨膜区域，介导不育蛋白WA352的降解。但编码F-box蛋白的核基因WIF在花药小孢子母细胞时期的表达水平显著下降，让线粒体蛋白WA352得以成功“躲过”UPS的降解，而在花药中特异性积累，从而精确产生雄性不育。这一重要发现不仅揭示了核基因监控线粒体蛋白积累的全新分子机理，解答了植物CMS蛋白时空特异性发挥生物学功能的科学谜题，还为精准调控CMS育性恢复提供了潜在靶点。
博士后张子旭和丁智为该论文的共同第一作者，陈乐天和谢勇尧教授为共同通讯作者，刘耀光院士对该研究给予了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金创新群体和重点项目、广东省自然科学基金杰出青年项目和面上项目以及广东省种业振兴行动等项目的资助。
图1：泛素-蛋白酶体系统（UPS）限制不育蛋白WA352在花药积累的分子调控模型
文图/农学院
