近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院陳樂天/劉耀光團隊在Molecular Plant期刊上發(fā)表題為“A tripartite pollen killer–protector system confers temperature-sensitive inter-subspecific reproductive isolation in rice”的研究成果。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后李構(gòu)思和張雅玲（現(xiàn)為中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心助理研究員）為該論文的共同第一作者，陳樂天教授和劉耀光院士為共同通訊作者。

研究團隊前期鑒定了水稻秈粳雜種不育Sa復(fù)合座位中兩個緊密相鄰的關(guān)鍵基因SaF和SaM：其中，SaF編碼F-box蛋白，秈稻的SaF+和粳稻的SaF-僅有一個氨基酸的差別；秈稻的SaM+編碼一個具有完整SPL-RING結(jié)構(gòu)域的蛋白，而粳稻的SaM-則編碼一個結(jié)構(gòu)域缺失的截短蛋白。研究團隊在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)：Sa座位介導(dǎo)的F1雜種花粉育性在較低溫條件下（23~29℃，如晚季）約為50%，但在高溫條件下（30~35℃，如早/中季）花粉育性提升至75%左右，表明高溫能緩解遠緣雜交水稻的雜種不育。這一有趣現(xiàn)象的背后包含兩個重要的科學(xué)問題：1）Sa座位引起花粉敗育的分子機制是什么？2）雜種的花粉育性在高溫下為何不下降反而上升？研究團隊為此展開了長達十多年的深入研究，終于揭開了其神秘面紗。

該團隊通過遺傳群體分析，在Sa座位鑒定到一個決定雜種不育溫度敏感性且與SaF、SaM相鄰的新基因SaFL。SaFL編碼F-box類似蛋白，秈粳稻的SaFL蛋白僅存在2個氨基酸的差異。互補實驗表明，秈稻SaFL+可恢復(fù)雜種F1花粉育性；而在F1中敲除SaFL+導(dǎo)致mF1突變體在低溫下全不育，高溫下恢復(fù)為半不育；而在F1中敲除SaFL-導(dǎo)致溫敏性消失，mF1花粉在高低溫下均表現(xiàn)為半不育；以上結(jié)果充分證明SaFL+是一個強功能的花粉保護（保鏢）基因，SaFL-則是僅在高溫條件下發(fā)揮弱功能的花粉保護基因。遺傳分析進一步表明，來自秈稻的SaF+和SaM+形成了Sa座位缺一不可的殺手系統(tǒng)。蛋白互作及競爭實驗證實，SaM+與SaF+、SaFL+/-間均存在互作關(guān)系，其中SaM+與SaF+互作的殺手系統(tǒng)不僅受到高溫抑制，還會因SaFL+/-競爭性結(jié)合SaM+而受到破壞。該研究還揭示出Sa殺手復(fù)合體行使線粒體E3連接酶功能，靶向線粒體活性氧（ROS）清除蛋白COX11，介導(dǎo)其泛素化和26S蛋白酶體降解，從而引起活性氧過量積累導(dǎo)致花粉不育的分子機制。

進一步單倍型分化分析顯示，Sa三基因復(fù)合座位從頭起源于非AA基因組的遠緣野生稻，再向AA基因組野生稻擴散。在栽培水稻馴化及其由熱帶地區(qū)向溫帶地區(qū)擴張的過程中，攜帶殺手基因和弱保護者的單倍型G2（F+M+FL-）在野生稻中持續(xù)存在，但在溫帶地區(qū)的栽培稻中逐漸被淘汰，秈型（F+M+FL+）和粳型（F-M-FL-）逐漸成為（亞）熱帶和溫帶地區(qū)的主流單倍型。由此推測Sa座位的溫敏特性可能是驅(qū)動水稻種群的緯度適應(yīng)和秈粳亞種形成的關(guān)鍵所在。

水稻秈粳雜種雄性不育復(fù)合座位Sa中，SaF、SaM和SaFL組成一個溫度敏感的花粉“殺手?保鏢”系統(tǒng)，其中秈稻的SaF+和SaM+形成復(fù)合體作為“殺手”，靶向線粒體活性氧清除蛋白COX11，促進后者泛素化降解，導(dǎo)致活性氧過量積累從而引起花粉不育。秈稻中的SaFL+是一個強功能的“保鏢”，而粳稻中的SaFL-只在高溫下起作用，是一個弱功能“保鏢”。在秈粳雜種中，一半的花粉攜帶秈稻強功能SaFL+，它能競爭性優(yōu)先結(jié)合SaM+從而破壞殺手復(fù)合體，保護花粉正常發(fā)育；另一半的花粉攜帶弱功能SaFL-，其在高溫下才發(fā)揮功能，使花粉呈現(xiàn)低溫不育，高溫可育的特性。

Sa在水稻亞種間分化及其介導(dǎo)的雜種不育的機制模型

值得注意的是，最初由劉耀光院士團隊在野敗型細胞質(zhì)雄性不育系統(tǒng)（CMS-WA）發(fā)現(xiàn)的植物線粒體ROS清除因子COX11被后續(xù)多項研究證實：它是水稻不同育性系統(tǒng)的關(guān)鍵共性因子，通過控制ROS穩(wěn)態(tài)而調(diào)控花粉育性。