????????本期分享的文獻(xiàn)是西澳大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院植物能量生物學(xué)ARC卓越研究中心發(fā)表在著名植物學(xué)綜述期刊《Current Opinion in Plant Biology》上題為“Triticeae?genome sequences reveal huge expansions of gene families implicated in fertility restoration”的文章。該研究發(fā)現(xiàn)與育性恢復(fù)有關(guān)的RFL和mTERF基因家族顯示了巨大的擴(kuò)張和多樣性，并揭示了這些基因的進(jìn)化機(jī)制，為小麥和相關(guān)品種的雜交生產(chǎn)提供了新視野。

• 發(fā)表期刊：Current Opinion in Plant Biology

• 發(fā)表時間：2022

• 影響因子：9.396

• DOI:?10.1016/j.pbi.2021.102166

文章亮點(diǎn)

●?本文綜述了近年來有關(guān)谷物中RFL和mTERF基因家族的進(jìn)化和多樣性的研究內(nèi)容。

●?討論了對植物CMS和植物育性恢復(fù)的分子基礎(chǔ)的研究進(jìn)展以及未來的研究趨勢。

主要內(nèi)容

1、谷物中RFL家族的全基因組比較研究

????????首次對水稻和大麥RFL（育性恢復(fù)）家族的全基因組比較研究表明，其具有高度的種間和種內(nèi)結(jié)構(gòu)和拷貝數(shù)變異特征。對共線性和序列保守性的詳細(xì)分析表明，位于簇內(nèi)的RFL序列比位于簇外的RFL序列更容易多樣化。RFL分支內(nèi)的多樣性是由導(dǎo)致不育的CMS基因和Rf基因之間的遺傳相互作用驅(qū)動的。

????????小麥基因組中含有異常高數(shù)量的RFL基因（在“中國春”中有207個），遠(yuǎn)高于其他被子植物（大約20-30個）。研究人員基于R基因的類似方法開發(fā)了一種RFL序列捕獲方法。利用面包小麥及其亞基因組供體和近緣物種的RFL序列，設(shè)計了用于序列捕獲的RFL特異性探針。通過比較恢復(fù)基因型和非恢復(fù)基因型中存在的序列，選擇了Rf1和Rf3恢復(fù)基因的候選基因，并通過轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了它們的功能。

????????黑麥和小麥參考基因組序列的可用性促進(jìn)了Rfmulti多位點(diǎn)（Restoration of fertility in multiple CMS systems）的表征。通過對黑麥和小麥基因組的共線區(qū)域進(jìn)行比較分析，在小麥基因組中確定一個Rfmulti的候選基因。下一步將是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一預(yù)測。

2、小麥泛基因組中RFL型mTERF基因的鑒定

????????對黑麥和大麥的研究表明，mTERF（線粒體轉(zhuǎn)錄終止因子）家族的成員也可能參與谷物的生育力恢復(fù)。屬于這個家族的蛋白質(zhì)由一個重復(fù)的約30-35氨基酸基序（mTERF基序）組成，與PPR蛋白類似。在谷物中，分散和聚集的mTERF基因之間有相同的現(xiàn)象。大約有21-32個分散的基因?qū)?yīng)于擬南芥中24個分散的基因，其中許多是高度保守的，而且可能是同源的。聚集的mTERF基因在谷物中經(jīng)歷了大量的擴(kuò)增，小麥中超過300個，黑麥中超過約100個（圖1）。聚類的mTERFs表現(xiàn)出與RFL-PPR基因分支相似的進(jìn)化模式，即旁系間的相似性較高，但直系間的相似性相對較低。在黑麥中，4R染色體上的RFL和mTERF簇與攜帶Rfp1、Rfp2和Rfp3恢復(fù)位點(diǎn)的基因組區(qū)域重疊。到目前為止，只有Rfp1的序列被克隆并鑒定為mTERF基因。

????????為解析富含重復(fù)序列的谷物基因組而開發(fā)的測序和組裝策略的進(jìn)步提高了復(fù)雜RFL和mTERF基因簇組裝的準(zhǔn)確性。這可以通過在4次組裝中得到的RFL基因的數(shù)量來說明（圖2a）。精細(xì)化的參考基因組組裝，以及數(shù)以萬計的長讀長泛基因組和泛轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，將極大地有助于破譯谷物中RFL和mTERF基因的多樣性和擴(kuò)張。

3、線粒體序列進(jìn)化及其對CMS性狀維持的影響

????????線粒體基因組的重排在植物中經(jīng)常發(fā)生，并能產(chǎn)生新的開放閱讀框（ORFs），其中一些會導(dǎo)致雄性不育。所有已報道的CMS基因都表現(xiàn)出嵌合結(jié)構(gòu)，通過將花粉發(fā)育的能量重新分配到種子中，雄性不育植物在種子生產(chǎn)中比雌雄同體具有優(yōu)勢。這有利于母系遺傳的CMS線粒體基因組的傳播。然而，由此產(chǎn)生的雄性不育植物的積累反過來會產(chǎn)生強(qiáng)大的選擇壓力，有利于抑制CMS的Rf基因，允許攜帶它們的植物為不抑制CMS的不育植物授粉。最近，在蘿卜的Ogu-CMS系統(tǒng)中，orf138基因序列的一個單核苷酸替換被證明可以誘導(dǎo)雄性不育。該突變被發(fā)現(xiàn)位于恢復(fù)蛋白Rfo的結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)，并被證明顯著降低了Rfo對該位點(diǎn)的親和力（圖3a）。有趣的是，同一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了一種新的恢復(fù)基因Rfs，能夠抑制由突變的orf138引起的不育。

4、Rf蛋白的分子作用模式

????????Rf基因阻斷CMS基因表達(dá)的兩種作用模式已被報道，即“RNA裂解”或“翻譯阻斷”途徑，而兩種途徑是否有本質(zhì)上的不同仍有待測試；mTERF Rf蛋白的分子作用模式仍有待闡明，但可能它們以類似于PPR Rf蛋白的作用方式阻斷CMS誘導(dǎo)的線粒體ORfs的表達(dá)。

????????在過去的幾年里，已經(jīng)開發(fā)了線粒體DNA編輯方法來消除植物中的CMS特征。這些方法不太可能用于雜交生產(chǎn)系統(tǒng)，但作為研究和驗(yàn)證CMS基因的研究工具非常有用，未來可能用于創(chuàng)造新的CMS誘導(dǎo)位點(diǎn)。
????????在現(xiàn)代育種中，不僅需要了解CMS和Rf基因位點(diǎn)的遺傳相互作用，還需要了解其他影響植物育性、自交與異花授粉和雜交性能的基因座，這對于開發(fā)無限制的雜交育種計劃至關(guān)重要。

總? 結(jié)

????????總體而言，參考基因組序列和泛基因組序列的比較研究表明，谷物中恢復(fù)生育力基因的兩個主要來源RFL和mTERF基因家族存在巨大的擴(kuò)張和極端的多樣性。在未來，全基因組關(guān)聯(lián)研究結(jié)合長讀長測序技術(shù)將加速克隆和表征新的恢復(fù)基因，用于雜交育種計劃。這些發(fā)現(xiàn)還將為核Rf基因抑制CMS-性狀的機(jī)制帶來新的見解。

參考文獻(xiàn)：Triticeae?genome sequences reveal huge expansions?of gene families implicated in fertility restoration. Current Opinion in Plant Biology, 2022.

DOI:?10.1016/j.pbi.2021.102166