北京科技大學萬向元教授團隊與袁隆平院士團隊合作，成功研發出植物通用型顯性不育育種技術

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北京科技大學萬向元教授團隊與袁隆平院士團隊合作

成功研發出植物通用型顯性不育育種技術

該研究成果於9月9日在線發表於《美國科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A.）上我校為第一完成單位萬向元教授和袁隆平院士同為通訊作者

我校安學麗教授、馬彪教授

董振營副教授和湖南農業大學

副校長段美娟教授 為共同第一作者

該成果已於今年8月正式已經授權1項國家發明專利

習近平總書記高度重視國家糧食安全，並作出重要指示「中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手上，我們的飯碗應該主要裝中國糧。」當前，在新冠疫情和國際特殊的背景下，糧食安全對穩定我國經濟社會發展的大局極其重要，更是國內「大循環」的底線。作物種業是國家戰略性、基礎性核心產業，是保障國家糧食安全的根本，是發展現代農業的命脈。種業關鍵核心技術的創新在糧食增產的各項要素中處於核心地位。

雜種優勢利用技術是種業重大關鍵核心技術。該技術能夠大幅提高作物單產、改良作物品質、提高作物抗逆性、增加作物適應性。我國在袁隆平院士率先開創的水稻雄性不育與雜種優勢利用的基礎上，通過數代科學家的不懈努力，在水稻雜種優勢利用及強優勢雜交種創製方面搶佔了國際制高點，有效保障了國家糧食安全。但截至目前，雜種優勢利用的核心環節——雄性不育育種技術，在玉米等作物上仍然受到很大限制，迫切需要技術突破。

圖1.萬向元教授與袁隆平院士團隊近10年的科研合作

萬向元教授早在2009年開始與袁隆平院士合作（圖1），聯合承擔湖南省科技重大專項「超級雜交稻分子育種研究」；2011年後，根據國家糧食安全戰略需求，開始聚焦玉米分子遺傳與設計育種研究，繼續加強與袁隆平院士團隊合作，致力於開發玉米、水稻、小麥等作物通用型雜種優勢利用技術，已經取得了一批重要研究成果。

近期，我校生物與農業研究中心、化生學院、融創院及北京中智生物農業國際研究院萬向元教授團隊與湖南農業大學、湖南雜交水稻研究中心袁隆平院士團隊合作，歷時10年，在玉米核雄性不育基因ZmMs7的分子調控研究及植物通用顯性雄性不育系統的建立與應用評估方面取得了重要進展。雙方以萬向元團隊發表在國際TOP1期刊《Plant Biotechnology Journal》（IF8.2）上封面文章報導的ZmMs7基因為基礎，進一步解析了該基因調控花葯和花粉發育的分子機制，發現ZmMs7為具有轉錄激活功能的PHD轉錄因子，可以與玉米NF-YA/B/C三個亞基互作形成多蛋白複合體，直接激活目標基因，在絨氈層發育和花粉外壁形成中起關鍵作用（圖2）。

圖2.ZmMs7-NF-YA/YB/YC蛋白複合體直接激活靶基因表達

據此，通過玉米花葯特異啟動子p5126在玉米花葯中提早3-5天表達ZmMs7基因，可顯著改變負責花葯和花粉發育的基因表達網絡，從而導致完全顯性不育，進一步利用p5126-ZmMs7基因元件，成功構建了一個在玉米、水稻和擬南芥中通用型的顯性不育（DMS）技術體系（圖3）。通用型雄性不育系統的建立對植物的雜交制種非常重要，特別是對於至今還沒有克隆雄性不育及其恢復基因的植物更有應用價值。該研究成果於9月9日在線發表於《美國科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.）上，我校為第一完成單位，萬向元教授和袁隆平院士同為通訊作者，我校安學麗教授、馬彪教授、董振營副教授和湖南農業大學副校長段美娟教授為共同第一作者。此外，該成果已於今年8月正式已經授權1項國家發明專利（利用p5126-ZmMs7M構建體創製玉米顯性核雄性不育系及其育種制種應用方法，ZL201811450364 .4）。

圖3.通用型顯性不育系統創製的玉米、水稻和擬南芥雄性不育系表型

相關研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家轉基因重大專項、中央高校基本科研業務費、國家「萬人計劃」人才項目和北京市科技計劃項目等聯合資助。

原文連結：

Xueli An, Meijuan Duan, Ruogu Liu, Dingyang Yuan, Quancan Hou, Suowei Wu, Danfeng Zhang, Dongcheng Liu, Dong Yu, Yuwen Zhang, Ke Xie, Taotao Zhu, Ziwen Li, Simiao Zhang, Youhui Tian, Chang Liu, Jinping Li, Longping Yuan*, and Xiangyuan Wan*. Molecular Regulation of ZmMs7 Required for Maize Male Fertility and Development of a Dominant Male-sterility System in Multiple Species. Proc Natl Acad Sci, 2020, September 9, 2020,

https://doi.org/10.1073/pnas.2010255117

01

點評專家1: 錢前研究員

中國科學院院士，中國農業科學院作物科學研究所所長，長期從事水稻種質資源創新、功能基因組和分子育種研究。

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雜交水稻和雜交玉米品種的培育和應用生產，對解決全球的糧食安全問題起到巨大貢獻。以袁隆平院士為代表的我國科學家，在上世紀70和90年代先後成功研發了三系和兩系雜交稻，1981年「秈型雜交水稻」獲得我國第一個發明獎特等獎，2013年「兩系法雜交水稻技術研究與應用」榮獲國家科技進步特等獎，目前兩者的年均推廣面積約1.6億畝和8000萬畝，社會和經濟效益巨大^[1]。然而三系法受恢保關係制約，選育優良組合難度較大，兩系法受光溫等不可控環境因素的影響容易造成繁制種波動。近年，隨著生物技術發展，袁隆平院士和鄧興旺院士分別開啟了水稻遺傳工程不育^[2]和智能不育^[3]為代表的第三代雜交水稻育種技術研究，有望克服三系和兩系雜交稻的缺點。

目前，玉米雜交種在生產上已基本實現全覆蓋，玉米也曾經利用三系法和兩系法制種，但因存在各種問題而未能大面積推廣。當前雜交玉米制種中母本去雄主要依靠人工、機械和化學藥劑，但存在成本高、植株容易受到損傷、汙染環境等問題，因此需建立新的玉米雄性不育體系，例如：美國杜邦先鋒公司和北京科技大學萬向元團隊先後成功研發了玉米SPT技術^[4]和多控不育（MCS）技術^[5]，原理上與水稻第三代雜交育種技術基本一致，統稱為作物第三代雜交育種技術。該類技術在應用中需要獲得隱性核不育系及其育性恢復基因，限制了其在難以克隆育性恢復基因作物中的應用。

近日，萬向元團隊與袁隆平院士團隊合作，利用玉米花葯特異表達啟動子p5126和育性恢復基因ZmMs7組成的p5126-ZmMs7-mCherry遺傳轉化元件，成功建立了一套在玉米、水稻和擬南芥中都適用的顯性核雄性不育（DMS）系統，相關研究結果發表在PNAS上。該研究亮點：1）從ZmMs7分子調控機理的基礎研究，到DMS系統和ms7不育系的田間應用測試，實現了基礎與應用研究的有機結合；2）試驗設計系統完整，整合了細胞學、分子生物學、轉錄組學、脂質組學、生物技術、基因編輯、蛋白生化、常規與MAS育種技術、多環境多性狀測試比較等研究策略，數據信息量大，文章內容詳實；3）創新性強：深入解析了ZmMs7基因調控機理，並基於ZmMs7功能保守性，構建並利用同一個遺傳轉化載體，創製不同植物的顯性核雄性不育技術體系，對更多作物的不育系快速創製和雜種優勢利用有借鑑作用。

參考文獻：

[1] 袁隆平，雜交水稻發展的戰略，雜交水稻，2018, 33（5）：1-2。

[2] Song et al., A novel strategy for creating a new system of third-generation hybrid rice technology using a cytoplasmic sterility gene and a genic male-sterile gene. Plant Biotechnol. J. (2020) doi: 10.1111/pbi.13457.

[3] Chang et al., Construction of a male sterility system for hybrid rice breeding and seed production using a nuclear male sterility gene. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016, 113, 14145–14150.

[4] Albertsen et al., Nucleotide Sequences Mediating Male Fertility and Method of Using Same. WO2007002267 2006.

[5] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor. Plant Biotechnol. J. 2018, 16, 459–471.

點評專家：

02

點評專家2: 嚴建兵教授

華中農業大學副校長，長期從事玉米功能基因組、種質資源創新和分子育種研究。

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玉米是雜種優勢利用最成功的作物之一，基本實現雜交種全覆蓋，其總種植面積和總產量均位於我國三大糧食作物之首。目前，玉米雜交制種主要通過人工或機械對母本去雄，其次基於細胞質不育的三系法在雜交制種中也有少量應用。然而，人工去雄成本高，機械去雄會損傷植株頂部葉片而導致制種產量降低；玉米三系法制種由於不育系是細胞質遺傳，存在種質資源利用範圍狹窄、育性不穩定、易受專化型病原小種侵染等問題。因此，利用生物技術手段繁殖和保持玉米隱性核雄性不育系的研究獲得進展，例如：美國杜邦先鋒公司開發的玉米SPT技術^[1]和萬向元團隊創製的玉米多控不育（MCS）技術^[2]。該類技術的一大優勢是通過轉基因技術途徑，最終生產的核不育系和雜交種不含有轉基因成分，因而在許多國家已解除對此類玉米品種的轉基因管控。但是該類技術應用的前提是要有遺傳穩定的隱性核雄性不育系和育性恢復基因，因此，在許多沒有克隆育性恢復基因的作物中無法得到應用。

近日，萬向元教授團隊與袁隆平院士團隊合作，研究了PHD類轉錄因子ZmMs7調控玉米雄性發育的分子機理，進一步利用分子設計育種技術，將玉米花葯特異啟動子p5126和ZmMs7基因相結合，創製了一種在玉米、水稻和擬南芥中都有效的顯性核雄性不育技術體系，並系統地試驗評估了該技術和ms7不育基因在玉米上的應用潛力和價值。該研究成果日前發表於《PNAS》上。該技術的突出優勢是利用了玉米ZmMs7及其同源基因（如水稻OsPTC1^[3]和擬南芥AtMs^[4]）在不同植物中的功能保守性，通過花葯特異啟動子p5126促其提前表達3-5天，從而導致玉米、水稻和擬南芥花葯和花粉發育調控網絡紊亂，最終表現為顯性核雄性不育的表型。同時，通過與種子顏色篩選標記基因（mCherry）串聯共轉化，以實現種子色選分離，即紅色螢光種子為轉基因不育系種子，正常顏色種子為可育保持系種子。

該技術可以打破植物物種界限，利用同一個遺傳轉化載體p5126-ZmMs7-mCherry在不同作物（尤其是缺乏天然不育系和沒有克隆育性恢復基因的作物）中創製顯性核不育系，技術操作簡單，不依賴於背景基因型，幾乎任何自交系都可以改造為顯性核不育系。另外，利用顯性核不育系配製的雜交種，一半轉基因不育（紅色螢光），一半非轉基因可育（正常種子顏色），可滿足不同國家對轉基因作物種植的監管要求，靈活機動地用於生產種植。

參考文獻：

[1] Wu et al., Development of a novel recessive genetic male sterility system for hybrid seed production in maize and other cross-pollinating crops. Plant Biotechnol J, 2016. 14(3): p. 1046-54.

[2] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor. Plant Biotechnol J, 2018. 16(2): p. 459-471.

[3] Li et al., PERSISTENT TAPETAL CELL1 encodes a PHD-finger protein that is required for tapetal cell death and pollen development in rice. Plant Physiol, 2011. 156(2): p. 615-30.

[4] Wilson et al., The Arabidopsis MS1 gene is a transcriptional regulator of male gametogenesis, with homology to the PHD-finger family of transcription factors. Plant J, 2001. 28 (1): p. 27-39.

點評專家：

03

點評專家3: 楊仲南教授

上海師範大學生科院院長，長期從事植物雄性不育及其分子機理研究。

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雄性不育是作物雜種優勢利用和雜交制種的重要工具。研究雄性不育的分子機理並開發實用的雄性不育技術體系具有重要的理論和應用價值。擬南芥AtMs1是核雄性不育基因，編碼一個PHD-finger轉錄因子，在後減數分裂的花葯絨氈層發育和花粉外壁形成中發揮重要調控作用^[1-3]。自2001年AtMs1基因首次報導以來，其同源基因陸續在水稻（PTC1/OsMs1）^[4]、大麥（HvMs1）^[5]和玉米（ZmMs7）^[6]中被克隆鑑定。然而，作為花葯和花粉發育的重要調控因子之一，目前對AtMs1及其同源蛋白轉錄調控的分子機制仍知之甚少。最近，Yang等利用水稻OsMs1蛋白C-端PHD結構域做誘餌鑑定到了兩個互作蛋白OsMADS15和TIP2，然而其蛋白互作的生物學意義仍不清楚^[7]。

日前，PNAS研究論文報導了萬向元教授團隊與袁隆平院士團隊合作發現玉米ZmMs7是一個轉錄激活子，其自身雖然不能直接結合靶基因，但能夠招募ZmNF-YA、YB和YC類轉錄因子形成蛋白複合體，並結合到靶基因啟動子的CCAAT元件，從而激活靶基因的表達。有趣的是，利用玉米花葯特異的啟動子p5126使ZmMs7在玉米花葯中提早1-2個時期（3-5天）表達，可導致ZmMs7靶基因及大量下遊基因也提前1-2個時期表達，致使精準調控花葯和花粉發育的基因表達網絡紊亂，最終導致完全顯性雄性不育的表型。基於不同物種ZmMs7同源基因的功能保守性，進一步利用p5126-ZmMs7-mCherry載體轉化水稻和擬南芥，同樣得到穩定的水稻和擬南芥顯性雄性不育材料。

因此，該研究為揭示ZmMs7/PHD-finger類轉錄因子調控植物雄性發育的分子機制提供了新的觀點；同時利用同一個遺傳轉化載體，開發了一套適用於多種植物的、簡單有效的顯性雄性不育技術體系。更重要的，該研究為更多的擬南芥雄性不育基因在糧食和經濟作物雜交育種和制種中的應用提供了參考和可能。

參考文獻：

[1] Wilson et al., The Arabidopsis MS1 gene is a transcriptional regulator of male gametogenesis, with homology to the PHD-finger family of transcription factors. Plant J. 28, 27–39 (2001).

[2] Ito et al., Arabidopsis MALE STERILITY1 encodes a PHD-type transcription factor and regulates pollen and tapetum development. Plant Cell 19, 3549–3562 (2007).

[3] Yang et al., MALE STERILITY1 is required for tapetal development and pollen wall biosynthesis. Plant Cell 19, 3530–3548 (2007).

[4] Li et al., PERSISTENT TAPETAL CELL1 encodes a PHD-finger protein that is required for tapetal cell death and pollen development in rice. Plant Physiol. 156, 615–630 (2011).

[5] Gomez, Wilson, A barley PHD finger transcription factor that confers male sterility by affecting tapetal development. Plant Biotechnol. J. 12, 765–777 (2014).

[6] Zhang et al., Construction of a multicontrol sterility system for a maize male-sterile line and hybrid seed production based on the ZmMs7 gene encoding a PHD-finger transcription factor. Plant Biotechnol. J. 16, 459–471 (2018).

[7] Yang et al., OsMS1 functions as a transcriptional activator to regulate programmed tapetum development and pollen exine formation in rice. Plant Mol. Biol. 99, 175–191 (2019).

點評專家：

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