細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）是一種由線粒體基因引起的花粉敗育現(xiàn)象，但其不育性可被核基因組中的恢復(fù)基因（Rf）所抑制。CMS不僅是雜交育種中實(shí)現(xiàn)母本不育、省去人工去雄、提高雜交種純度的核心技術(shù)工具，也是研究線粒體-細(xì)胞核遺傳沖突與協(xié)同進(jìn)化的天然模型。

近日，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)在Plant Cell & Environment期刊在線發(fā)表題為Mitochondrial-nuclear interactions, co-transcription, and adaptive evolution in cytoplasmic male sterility的綜述論文。該文系統(tǒng)總結(jié)了植物線粒體基因組的原核樣共轉(zhuǎn)錄特征，重點(diǎn)解析了CMS相關(guān)嵌合基因的共轉(zhuǎn)錄模式及其恢復(fù)機(jī)制，并首次從活性氧穩(wěn)態(tài)與線粒體逆行信號(hào)角度，提出了CMS在植物逆境適應(yīng)與進(jìn)化中潛在的非雜交優(yōu)勢(shì)功能。

在真核生物的演化歷程中，線粒體的內(nèi)共生發(fā)生無疑是里程碑式的事件。約18至20億年前，原始真核細(xì)胞吞噬并整合了一株α-變形菌，后者逐漸演化為今天的線粒體。這一事件不僅為宿主細(xì)胞提供了高效的氧化磷酸化產(chǎn)能系統(tǒng)，也開啟了兩套基因組之間復(fù)雜而持久的“對(duì)話”。與動(dòng)物線粒體基因組的高度簡(jiǎn)化不同，植物線粒體基因組在大小、結(jié)構(gòu)和重組速率上表現(xiàn)出驚人的多樣性，其大小可從200 kb跨越至10 Mb以上，且頻繁發(fā)生序列獲得、丟失、重排及與核基因組、葉綠體基因組的DNA遷移。這些動(dòng)態(tài)特征，既為植物適應(yīng)多變環(huán)境提供了遺傳變異的素材，也埋下了“沖突”的種子——其中最為典型的表現(xiàn)之一，便是細(xì)胞質(zhì)雄性不育。

共轉(zhuǎn)錄、嵌合基因的誕生和核基因的“反制”

植物線粒體基因組保留了許多原核生物的表達(dá)特征，其中最為典型的是多順反子共轉(zhuǎn)錄。這種共轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)不僅提高了基因表達(dá)的協(xié)同性，也為線粒體基因組的重組和嵌合基因的產(chǎn)生提供了序列基礎(chǔ)。線粒體基因組的頻繁重組是植物CMS基因的主要來源。在不同作物中，CMS相關(guān)開放閱讀框往往與功能基因（如atp6、atp4、atp8、cox3、rpl5等）發(fā)生融合或插入，形成嵌合基因，并與其鄰近功能基因發(fā)生共轉(zhuǎn)錄（圖1）。

面對(duì)線粒體“自私”的CMS基因，細(xì)胞核進(jìn)化出了一類專門的反制因子——育性恢復(fù)基因（Rf）。該基因的作用方式因物種和CMS類型而異：在水稻CMS-BT中，RF1A和RF1B協(xié)同作用，前者切割B-atp6-orf79共轉(zhuǎn)錄本，后者促進(jìn)其降解并同時(shí)介導(dǎo)atp6轉(zhuǎn)錄本的編輯；在水稻CMS-WA中，RF4直接降低rpl5-WA352共轉(zhuǎn)錄本的豐度；在玉米CMS-S中，RF3通過與ORF77互作，間接加速ORF355的降解；在油菜CMS-ogu中，PPR-B蛋白并不降低orf138mRNA的水平，而是通過結(jié)合在orf138編碼區(qū)內(nèi)部，直接阻礙核糖體的翻譯延伸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不育蛋白合成的精確抑制（圖1）。

圖1 四種作物中細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS）相關(guān)基因的結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的恢復(fù)基因作用機(jī)制

ROS是植物CMS的“執(zhí)行者”與“信號(hào)兵”

CMS基因?qū)е禄ǚ蹟∮闹苯釉颍枪厕D(zhuǎn)錄本表達(dá)導(dǎo)致線粒體電子傳遞鏈功能紊亂，進(jìn)而引發(fā)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的迸發(fā)。例如，水稻CMS-WA中的WA352蛋白與核編碼的COX11互作，破壞了細(xì)胞色素c氧化酶的組裝，導(dǎo)致絨氈層中ROS提前大量積累，誘發(fā)程序性細(xì)胞死亡（PCD），最終花粉敗育。水稻CMS-HL中的ORFH79與復(fù)合物III的P61亞基結(jié)合，同樣引起ROS升高和ATP減少。玉米CMS-S中，不育小孢子的ROS水平顯著高于可育小孢子。油菜CMS-nsa中的ORF346也導(dǎo)致ROS過量積累。這些證據(jù)表明，ROS是CMS致不育的核心執(zhí)行者。

然而，ROS并不僅僅是破壞分子。在低濃度下，ROS作為重要的信號(hào)分子，參與調(diào)控植物發(fā)育（根毛伸長(zhǎng)、葉片擴(kuò)展）和逆境響應(yīng)（干旱、熱、鹽等）。線粒體功能障礙引起的輕度氧化應(yīng)激，甚至可以增強(qiáng)植物對(duì)生物和非生物脅迫的耐受性。例如，復(fù)合物I功能缺陷的煙草CMSII突變體對(duì)臭氧和病毒感染的抗性增強(qiáng)；黃瓜MSC16突變體（復(fù)合物I缺陷）具有更好的耐冷性；擬南芥ndufs4和bir6突變體也表現(xiàn)出類似的抗性提升。因此，CMS基因引起的ROS改變，可能不僅導(dǎo)致雄性不育，也可能作為一種“代價(jià)”或“附帶效應(yīng)”，通過線粒體逆行信號(hào)（mitochondrial retrograde signaling）重新編程核基因表達(dá)，從而增強(qiáng)植株的整體脅迫適應(yīng)能力。這一假說為理解CMS在自然選擇中的保留提供了新的視角：CMS可能不僅僅是雜交育種的工具，它在植物長(zhǎng)期進(jìn)化中可能還扮演了應(yīng)激響應(yīng)的“預(yù)警”角色（圖2）。

圖2 CMS參與植物活性氧（ROS）信號(hào)傳導(dǎo)，從而觸發(fā)防御和適應(yīng)性反應(yīng)。

未來展望：從共轉(zhuǎn)錄到系統(tǒng)設(shè)計(jì)

迄今，CMS相關(guān)共轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象已被大量報(bào)道，但大多數(shù)嵌合轉(zhuǎn)錄本中非不育組分（如orf77、orf158等）的功能仍不清楚。這些共轉(zhuǎn)錄序列是否像原核操縱子中的調(diào)控元件（如CAP蛋白）一樣，參與增強(qiáng)CMS基因的轉(zhuǎn)錄或影響RNA加工，仍有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。未來的研究應(yīng)結(jié)合線粒體編輯技術(shù)與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組，在細(xì)胞和時(shí)空分辨率上繪制花粉發(fā)育過程中共轉(zhuǎn)錄本的動(dòng)態(tài)變化及其與ROS爆發(fā)的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，利用比較基因組和進(jìn)化分析，追溯不同物種中CMS基因獨(dú)立起源的趨同模式，將有助于揭示線粒體-細(xì)胞核共適應(yīng)的普遍規(guī)律。

綜上所述，文章不僅為雜交育種中的CMS應(yīng)用提供了理論總結(jié)，也為理解線粒體如何通過“損傷-信號(hào)-適應(yīng)”的轉(zhuǎn)化，參與植物整體環(huán)境適應(yīng)性的塑造，提出了可檢驗(yàn)的科學(xué)假說。隨著線粒體基因組編輯技術(shù)的成熟，CMS研究有望從描述走向設(shè)計(jì)，為未來高抗、高效作物的創(chuàng)制開辟新的細(xì)胞質(zhì)工程路徑。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所/甘蔗研究中心王裴林副研究員為該論文的第一作者，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心主任/中國(guó)熱帶作物學(xué)會(huì)遺傳育種專業(yè)委員會(huì)主任闕友雄研究員和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所張銳研究員為本文通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、熱帶作物育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣東省種業(yè)振興項(xiàng)目等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

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https://doi.org/10.1111/pce.70526