本期分享的文献是西澳大学分子科学学院植物能量生物学ARC卓越研究中心发表在著名植物学综述期刊《Current Opinion in Plant Biology》上题为“Triticeae genome sequences reveal huge expansions of gene families implicated in fertility restoration”的文章。该研究发现与育性恢复有关的RFL和mTERF基因家族显示了巨大的扩张和多样性，并揭示了这些基因的进化机制，为小麦和相关品种的杂交生产提供了新视野。
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发表期刊：Current Opinion in Plant Biology
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发表时间：2022
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影响因子：9.396
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DOI: 10.1016/j.pbi.2021.102166
文章亮点
● 本文综述了近年来有关谷物中RFL和mTERF基因家族的进化和多样性的研究内容。
● 讨论了对植物CMS和植物育性恢复的分子基础的研究进展以及未来的研究趋势。
主要内容
1、谷物中RFL家族的全基因组比较研究
首次对水稻和大麦RFL（育性恢复）家族的全基因组比较研究表明，其具有高度的种间和种内结构和拷贝数变异特征。对共线性和序列保守性的详细分析表明，位于簇内的RFL序列比位于簇外的RFL序列更容易多样化。RFL分支内的多样性是由导致不育的CMS基因和Rf基因之间的遗传相互作用驱动的。
小麦基因组中含有异常高数量的RFL基因（在“中国春”中有207个），远高于其他被子植物（大约20-30个）。研究人员基于R基因的类似方法开发了一种RFL序列捕获方法。利用面包小麦及其亚基因组供体和近缘物种的RFL序列，设计了用于序列捕获的RFL特异性探针。通过比较恢复基因型和非恢复基因型中存在的序列，选择了Rf1和Rf3恢复基因的候选基因，并通过转基因实验验证了它们的功能。
黑麦和小麦参考基因组序列的可用性促进了Rfmulti多位点（Restoration of fertility in multiple CMS systems）的表征。通过对黑麦和小麦基因组的共线区域进行比较分析，在小麦基因组中确定一个Rfmulti的候选基因。下一步将是通过实验来验证这一预测。
图1 Triticeae及其近缘植物中RFL和mTERF基因家族的扩张
2、小麦泛基因组中RFL型mTERF基因的鉴定
对黑麦和大麦的研究表明，mTERF（线粒体转录终止因子）家族的成员也可能参与谷物的生育力恢复。属于这个家族的蛋白质由一个重复的约30-35氨基酸基序（mTERF基序）组成，与PPR蛋白类似。在谷物中，分散和聚集的mTERF基因之间有相同的现象。大约有21-32个分散的基因对应于拟南芥中24个分散的基因，其中许多是高度保守的，而且可能是同源的。聚集的mTERF基因在谷物中经历了大量的扩增，小麦中超过300个，黑麦中超过约100个（图1）。聚类的mTERFs表现出与RFL-PPR基因分支相似的进化模式，即旁系间的相似性较高，但直系间的相似性相对较低。在黑麦中，4R染色体上的RFL和mTERF簇与携带Rfp1、Rfp2和Rfp3恢复位点的基因组区域重叠。到目前为止，只有Rfp1的序列被克隆并鉴定为mTERF基因。
为解析富含重复序列的谷物基因组而开发的测序和组装策略的进步提高了复杂RFL和mTERF基因簇组装的准确性。这可以通过在4次组装中得到的RFL基因的数量来说明（图2a）。精细化的参考基因组组装，以及数以万计的长读长泛基因组和泛转录组数据集，将极大地有助于破译谷物中RFL和mTERF基因的多样性和扩张。
图2 不同大麦的RFL基因组装结果比较
3、线粒体序列进化及其对CMS性状维持的影响
线粒体基因组的重排在植物中经常发生，并能产生新的开放阅读框（ORFs），其中一些会导致雄性不育。所有已报道的CMS基因都表现出嵌合结构，通过将花粉发育的能量重新分配到种子中，雄性不育植物在种子生产中比雌雄同体具有优势。这有利于母系遗传的CMS线粒体基因组的传播。然而，由此产生的雄性不育植物的积累反过来会产生强大的选择压力，有利于抑制CMS的Rf基因，允许携带它们的植物为不抑制CMS的不育植物授粉。最近，在萝卜的Ogu-CMS系统中，orf138基因序列的一个单核苷酸替换被证明可以诱导雄性不育。该突变被发现位于恢复蛋白Rfo的结合位点内，并被证明显著降低了Rfo对该位点的亲和力（图3a）。有趣的是，同一项研究发现了一种新的恢复基因Rfs，能够抑制由突变的orf138引起的不育。
图3 CMS中的线粒体-核基因组相互作用与植物育性恢复
4、Rf蛋白的分子作用模式
Rf基因阻断CMS基因表达的两种作用模式已被报道，即“RNA裂解”或“翻译阻断”途径，而两种途径是否有本质上的不同仍有待测试；mTERF Rf蛋白的分子作用模式仍有待阐明，但可能它们以类似于PPR Rf蛋白的作用方式阻断CMS诱导的线粒体ORfs的表达。
在过去的几年里，已经开发了线粒体DNA编辑方法来消除植物中的CMS特征。这些方法不太可能用于杂交生产系统，但作为研究和验证CMS基因的研究工具非常有用，未来可能用于创造新的CMS诱导位点。
在现代育种中，不仅需要了解CMS和Rf基因位点的遗传相互作用，还需要了解其他影响植物育性、自交与异花授粉和杂交性能的基因座，这对于开发无限制的杂交育种计划至关重要。
总 结
总体而言，参考基因组序列和泛基因组序列的比较研究表明，谷物中恢复生育力基因的两个主要来源RFL和mTERF基因家族存在巨大的扩张和极端的多样性。在未来，全基因组关联研究结合长读长测序技术将加速克隆和表征新的恢复基因，用于杂交育种计划。这些发现还将为核Rf基因抑制CMS-性状的机制带来新的见解。
参考文献：
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