近日，Plant Physiology在線發表了華中農業大學果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室/洪山實驗室鄧秀新院士團隊柴利軍教授組題為“Myo-inositol oxygenase CgMIOX3 alleviates S-RNase-induced inhibition of incompatible pollen tubes in pummelo”的學術論文，系統闡明了肌醇加氧酶（CgMIOX3）控制的肌醇降解途徑對調控柚自交不親和花粉管生長的分子機制，為進一步了解植物自交不親和反應的下游調控網絡提供了新見解。
自交不親和性（Self-incompatibility，SI）是顯花植物在長期自然進化過程中形成的一種廣泛存在的生殖隔離機制，旨在防止近親繁殖和物種退化，保持物種遺傳多樣性。自交不親和性在蕓香科柑橘類植物中廣泛存在，解析柑橘自交不親和機制，對于提高柑橘育種效率降低生產成本具有重要的實際應用價值。課題組前期研究首次證實蕓香科柑橘亞科屬于以S-RNase介導的配子體自交不親和系統，控制其自交不親和系統的雌蕊決定因子為S-RNase（Nature Plants，2020），雄蕊決定因子為SLF （S-Locus F-box）（Journal of Experimental Botany，2024 封面）。并且系統明確柑橘屬（Nature Plants，2020；Horticulture Research，2021）、金柑屬（Plant Biotechnology Journal，2024 封面）及枳屬（Plant Communications，2024）資源獨特親和演化機制，但有關S-RNase的下游的復雜調控網絡研究還未有明顯進展。
為了尋找花粉管中潛在的非S因子，本研究以高班柚花粉管為材料，構建了酵母雙雜cDNA文庫，并以S-RNases為誘餌進行了酵母雙雜交篩庫，獲得了一個注釋為肌醇加氧酶（myo-inositol，CgMIOX3）的候選基因。
體內及體外互作驗證結果表明CgMIOX3與不同單倍型的S-RNases存在廣泛互作，二者的成熟蛋白在花粉管的細胞質中共定位。下調CgMIOX3的表達會顯著抑制花粉管的正常生長，而施加重組CgMIOX3蛋白則可以顯著提高花粉管內抗壞酸（Ascorbic acid, AsA）的水平、增加H2O2處理下花粉管的萌發率和生長長度，表明CgMIOX3對柚花粉管的正常生長發揮了重要作用。研究發現親和與不親和反應都會引發花粉管內CgMIOX3的上調表達，同時S-RNases與CgMIOX3結合后可以增強后者的對肌醇的催化活性。降低CgMIOX3表達會導致發生親和反應的花粉管生長也受到明顯抑制，相反施加重組CgMIOX3蛋白或外源AsA則可以顯著增加發生不親和反應的花粉管長度。此外，轉化了CgMIOX3的不親和矮牽牛也表現出了自交授粉后花粉管生長長度明顯變長的表型。以上結果表明CgMIOX3通過表達水平增加、活性增強的途徑響應了S-RNases進入花粉管后發出的SI信號，并通過催化肌醇降解促進AsA的合成，從而在一定程度上緩解了S-RNase對花粉管生長的抑制作用。
華中農業大學園藝林學學院柴利軍教授為該論文的通訊作者，已畢業博士生徐強為該論文的第一作者。華中農業大學博士生劉晨晨、碩士生張哲仲、博士后曹宗洪、已畢業碩士生葉長寧；華中農業大學梁梅教授、林宗成教授、鄧秀新院士、葉俊麗副研究員以及英國阿伯里斯特維斯大學Maurice Bosch教授也參與了本研究工作。
論文鏈接：https://academic.oup.com/plphys/advancearticle/doi/10.1093/plphys/kiae372/7712419?searchresult=1
日期：2024-08-06
自交不親和性（Self-incompatibility，SI）是顯花植物在長期自然進化過程中形成的一種廣泛存在的生殖隔離機制，旨在防止近親繁殖和物種退化，保持物種遺傳多樣性。自交不親和性在蕓香科柑橘類植物中廣泛存在，解析柑橘自交不親和機制，對于提高柑橘育種效率降低生產成本具有重要的實際應用價值。課題組前期研究首次證實蕓香科柑橘亞科屬于以S-RNase介導的配子體自交不親和系統，控制其自交不親和系統的雌蕊決定因子為S-RNase（Nature Plants，2020），雄蕊決定因子為SLF （S-Locus F-box）（Journal of Experimental Botany，2024 封面）。并且系統明確柑橘屬（Nature Plants，2020；Horticulture Research，2021）、金柑屬（Plant Biotechnology Journal，2024 封面）及枳屬（Plant Communications，2024）資源獨特親和演化機制，但有關S-RNase的下游的復雜調控網絡研究還未有明顯進展。
為了尋找花粉管中潛在的非S因子，本研究以高班柚花粉管為材料，構建了酵母雙雜cDNA文庫，并以S-RNases為誘餌進行了酵母雙雜交篩庫，獲得了一個注釋為肌醇加氧酶（myo-inositol，CgMIOX3）的候選基因。
體內及體外互作驗證結果表明CgMIOX3與不同單倍型的S-RNases存在廣泛互作，二者的成熟蛋白在花粉管的細胞質中共定位。下調CgMIOX3的表達會顯著抑制花粉管的正常生長，而施加重組CgMIOX3蛋白則可以顯著提高花粉管內抗壞酸（Ascorbic acid, AsA）的水平、增加H2O2處理下花粉管的萌發率和生長長度，表明CgMIOX3對柚花粉管的正常生長發揮了重要作用。研究發現親和與不親和反應都會引發花粉管內CgMIOX3的上調表達，同時S-RNases與CgMIOX3結合后可以增強后者的對肌醇的催化活性。降低CgMIOX3表達會導致發生親和反應的花粉管生長也受到明顯抑制，相反施加重組CgMIOX3蛋白或外源AsA則可以顯著增加發生不親和反應的花粉管長度。此外，轉化了CgMIOX3的不親和矮牽牛也表現出了自交授粉后花粉管生長長度明顯變長的表型。以上結果表明CgMIOX3通過表達水平增加、活性增強的途徑響應了S-RNases進入花粉管后發出的SI信號，并通過催化肌醇降解促進AsA的合成，從而在一定程度上緩解了S-RNase對花粉管生長的抑制作用。
華中農業大學園藝林學學院柴利軍教授為該論文的通訊作者，已畢業博士生徐強為該論文的第一作者。華中農業大學博士生劉晨晨、碩士生張哲仲、博士后曹宗洪、已畢業碩士生葉長寧；華中農業大學梁梅教授、林宗成教授、鄧秀新院士、葉俊麗副研究員以及英國阿伯里斯特維斯大學Maurice Bosch教授也參與了本研究工作。
論文鏈接：https://academic.oup.com/plphys/advancearticle/doi/10.1093/plphys/kiae372/7712419?searchresult=1
日期：2024-08-06
