撰文 | 曾新华、李浩
责编 | 逸云
新基因（或类群特异基因）存在于几乎所有已被全基因组测序的动植物中，并对关键创新性状的产生和物种多样性具有重要作用【1】。雄性不育是油菜杂种优势利用的最主要途径，发掘具有实用价值的油菜雄性不育基因对我国油菜雄性不育系统研究具有重要意义。已有研究表明，MS5基因是油菜中与雄性育性相关的新基因，具有多个对雄性育性有不同作用的等位基因【2】。
近日，中国农业科学院油料作物研究所油料基因工程与转基因安全评价团队和美国宾夕法尼亚州立大学马红团队合作在New Phytologist在线发表题为Evolution of the Brassicaceae-specific MS5-Like family and neofunctionalization of the novel MALE STERILITY 5 gene essential for male fertility in B. napus的研究论文。该研究揭示了MS5基因在十字花科植物中的进化历史，并在前期油菜中成功克隆雄性不育基因BnMS5d的基础上，进一步揭示了BnMS5 基因在甘蓝型油菜小孢子母细胞减数分裂过程中的功能。这一研究为利用基因工程技术创建甘蓝型油菜雄性不育系统提供了重要理论依据与基因资源。
该研究首先通过对83种植物（包括23种十字花科植物）的全基因组序列进行同源基因搜索，发现了727个MS5同源基因，并且这些基因仅在23种十字花科植物中存在，说明这些基因组成了十字花科植物类群特异的一个基因家族（MS5-Like family）。进一步分析表明这些基因可能通过多次串联重复事件和转座事件、以及基因丢失事件，在不同十字花科物种中保留了不同数目的MS5同源基因。例如，在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中有18个，而在亚麻荠（Camelina sativa）中有多达119个基因成员。在该基因家族中，BnMS5所在的分支含有来自8个物种的14个同源基因，这些同源基因及它们的上下游基因在不同物种中具有较好的基因共线性关系。Classical genetic model and three-line hybrid breeding procedure of the genic male sterile system TE5ABC in B. napus
异源四倍体的甘蓝型油菜是二倍体白菜（B. rapa）和二倍体甘蓝（B. oleracea）的杂交后代。结合系统发育及序列分析得出：在甘蓝型油菜的基因组中含有两个MS5同源基因座位，其中一个基因（BnMS5）来自于白菜中的祖先基因，而另一个来自于（BnMS5II-1）来自于甘蓝中祖先基因。BnMS5基因含有至少三个等位基因（BnMS5a、BnMS5c和BnMS5d），MS5a和MS5c产生于白菜和甘蓝分化之前，在甘蓝型油菜的不同个体中分别获得了MS5a或MS5c，而BnMS5d与BnMS5a相比，仅有一个核苷酸位点的差异。
Synteny of the MS5 locus-related genomic regions in nine Brassicaceae genomes and two outgroup species
该研究对BnMS5基因的表达和功能作了详细分析。通过检测转基因互补实验获得的T0阳性单株的外源基因拷贝数，结果表明BnMS5a基因与BnMS5d基因通过剂量效应来调控甘蓝型油菜育性。免疫组化实验结果表明，BnMS5蛋白定位在细胞核核膜上，在正常可育花粉母细胞减数分裂细线期后期和粗线期早期与染色体端粒共定位，但在不育材料中则不能与染色体端粒共定位。Subcellular localization of BnMS5a and BnMS5d relative to telomeres during early meiosis最后该研究还利用酵母双杂交证明BnMs5a和BnMs5d蛋白均能与SUN蛋白互作，而BnMs5c蛋白不能与SUN蛋白互作。这表明在基因型为BnMS5aBnMS5a的甘蓝型油菜花粉母细胞减数分裂过程中，BnMS5a/SUN蛋白复合体起着十分重要的作用。虽然BnMS5a基因突变成BnMS5d后会导致甘蓝型油菜雄性不育，但这个单碱基突变并未影响BnMs5d蛋白与SUN蛋白的互作。BnMs5a与BnMs5d蛋白可能是通过剂量效应或者是竞争性结合在甘蓝型油菜花粉母细胞减数分裂过程中起作用。Evolutionary history of BnMS5 and a potential model underlying the establishment of different functions by BnMS5 alleles.
总之，BnMS5基因属于十字花科植物类群特异的基因家族，推测可能在白菜起源后发生了基因新功能化，进而在源于白菜和甘蓝的甘蓝型油菜杂交后代中对雄性育性具有重要作用。中国农业科学院油料作物研究所的曾新华博士和美国宾夕法尼亚州立大学的李浩博士为该论文的共同第一作者，中国农业科学院油料作物研究所的闫晓红博士、吴刚博士和美国宾夕法尼亚州立大学的马红教授为共同通讯作者。该项研究工作得到国家自然科学基金以及中国农科院科技创新工程项目资助。1. Rodelsperger et al. 2019. Trends Genet 35, 914-922.2. Zeng et al. 2016. Front Plant Sci 7, 1966.https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17053