近日，我校农学院赫圣博团队与刘向东团队合作在国际知名期刊Plant Physiology发表题为“MORE FLORET1 controls anther development by negatively regulating key tapetal genes in both diploid and tetraploid rice”的研究论文，阐明了转录因子MOF1的精准表达对绒毡层发育至关重要，并揭示了MOF1调控绒毡层发育和花粉育性的分子机理，为开发不同倍性水稻（包括二倍体和四倍体水稻）雄性不育系提供理论参考和基因资源。
花粉发育是植物生殖过程的重要组成部分之一，其正常与否直接影响育性和最终的产量。花粉发育包括药壁和花粉母细胞的形成与发育。药壁由表皮、药室内壁、中层和绒毡层四层细胞组成，其中绒毡层发育对花粉育性至关重要且受到严格的遗传控制，基因突变或异常表达往往造成其发育异常，导致雄性不育。
在前期研究中，该团队鉴定到一个MYB转录因子MOF1，该基因的突变会引起新型四倍体水稻雄性的不育。研究发现MOF1在花药中的表达峰值出现在S7时期，而后表达逐步降低直至S10时期的极低水平。然而，MOF1的动态表达是否参与不同倍性水稻花粉发育的调控及MOF1调控花粉发育的分子机理尚不清楚。
本研究中，作者仔细验证并研究了二倍体和四倍体水稻中MOF1突变引起的雄性不育现象。MOF1突变导致花药绒毡层和中层延迟降解，以及异常花粉壁形成。利用EAT1启动子，使MOF1特异的在花药发育后期的绒毡层中延迟表达，结果导致绒毡层发育异常和严重的花粉败育，表明精确控制MOF1的表达对雄性育性至关重要。另外，发现五个关键的绒毡层基因（CYP703A3、OsABCG26、PTC1、PKS2和OsABCG15）表现出与MOF1互补的表达模式，并在mof1突变体花药中上调表达。异位表达的MOF1株系中，PKS2的转录受到明显抑制。PKS2编码一个花粉外壁形成所需的关键酶--聚酮合酶，对育性至关重要（Zhu et al., 2017; Zou et al., 2018）。作者进一步利用DAP-seq、EMSA和荧光素酶报告系统证实MOF1直接结合PKS2启动子的Motif2，并抑制其转录。
综上所述，本文发现MOF1编码一个转录抑制因子，在花药发育早期阻止绒毡层关键基因的提前表达，而在花药发育后期其表达量下降，释放PKS2等关键绒毡层基因的表达，以确保花药正常发育。MOF1的这种精确表达模式对绒毡层的正常发育至关重要，通过精准操纵MOF1的表达可特异造成雄性不育，且不影响其它性状，这种作用机理在不同倍性水稻中的表现基本一致，可为创制水稻新不育系提供技术参考，特别是为多倍体水稻杂种优势利用提供新的基因资源。
农学院刘向东教授与赫圣博教授团队的张静懿副教授为论文共同通讯作者，博士后陆紫君为论文第一作者，赫圣博教授和吴锦文助理研究员等参与合作研究。该研究得到了国家重点研发计划、中国博士后科学基金、岭南现代农业科学与技术广东省实验室项目、广东省双一流学科建设项目、广东省珠江人才青年拔尖人才计划的支持。
相关论文信息：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae145
文图/农学院 张静懿