JIPB:研究揭示不育基因ORF355提高玉米CMS-S耐盐性的新机制

近日，北京市农林科学院玉米所和中科院遗传所合作在国际主流学术期刊JIPB（IF=9.016/Q1）在线发表了题为“ORF355 Confers Enhanced Salinity Stress Adaptability to CMS-S Maize forbid Modulating the Mitochondrial metabolic Homeostasis”的研究论文。该论文探究了线粒体不育基因ORF355通过影响细胞代谢水平增强玉米耐盐性的新机制。

 

玉米S型细胞质雄性不育（CMS-S）是玉米三大不育系类型之一，可用于创制母本不育系以生产玉米杂交种子。CMS-S由线粒体编码的不育基因ORF355在小孢子发育过程中特异地大量表达所导致，可视为一类特殊的线粒体变异。在模式动物的研究中发现，受到轻度胁迫的线粒体重构基础代谢平衡，使得细胞能够耐受后续更长时间、更大强度的逆境胁迫，这一现象被称之为线粒体毒性兴奋效应（Mitohormesis）。不育基因ORF355在叶片、雌穗等非雄穗组织里也有低水平的表达，之前尚不清楚其是否影响CMS-S线粒体代谢平衡以及植物的抗逆性。本研究发现在盐碱地种植条件下，CMS-S玉米比正常胞质的近等基因系玉米具有更好的生长势和更高的产量。这种耐受性的提升与花粉败育所节省的能量无关。通过雌激素诱导表达系统控制ORF355表达量发现，低水平表达ORF355可诱导活性氧的积累，促进烟酰胺腺嘌呤二核苷酸浓度的升高并改变细胞内代谢平衡，激活细胞抗氧化防御系统，产生类似动物细胞线粒体毒性兴奋效应。代谢组学分析显示，即使在没有盐胁迫的情况下，CMS-S玉米与正常胞质的近等基因系玉米之间也存在明显差异。 烟酰胺代谢，氨基酸代谢，以及半乳糖代谢相关的产物发生了显著变化。

 

赵久然团队近年来在玉米S型细胞质雄性不育研究中取得了一系列进展，探索了CMS-S败育 （Xiao et al., 2020） 以及不育稳定性（Xiao et al., 2022） 等方面的分子机制。这篇论文进一步揭示了CMS-S不育系在逆境耐受性方面可能具有的重要意义。肖森林博士和宋伟研究员为该论文的第一作者，赵久然研究员和遗传所陈化榜研究员为共同通讯作者。该研究得到了北京学者（BSP041）、北京市农林科学院青年基金（QNJJ202128），以及科技兴蒙项目（KJXM2020001）的资助。

ORF355调控CMS-S玉米耐盐性的示意图