近日，中国农业科学院棉花研究所邢朝柱研究员团队围绕哈克尼西棉细胞质雄性不育开展研究，揭示了线粒体嵌合基因orf610a通过破坏ATP合酶组装进而导致棉花不育系花粉败育的作用机制。相关研究成果以“The chimeric gene orf610a reduces cotton pollen fertility by impairing the assembly of ATP synthase”为题在线发表在国际权威学术期刊《植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）》（IF=11.2，生物学1区）上。

细胞质雄性不育是一种主要由线粒体基因控制，并可被细胞核恢复基因恢复的母系遗传性状，具体表现为植物不能产生正常可育雄配子，是作物杂种优势利用的重要途径之一，也是研究植物花药发育和核质互作机制的理想系统。哈克尼西棉细胞质雄性不育系在不同环境条件下均表现出稳定的无花粉、完全败育特征，在棉花“三系”杂交育种中具有广阔的应用前景。因此，鉴定哈克尼西棉细胞质雄性不育候选基因功能并解析不育系花粉败育的作用机制，对推动不育系简化制种技术在棉花杂交育种中大面积应用具有重要意义。

该研究在棉花中过表达线粒体嵌合基因orf610a，发现阳性株花粉量变少、花粉活性降低，并且自交棉铃产生大量不孕籽。进一步通过分子生物学、生理生化等多种分析手段，发现过表达株系花药绒毡层和小孢子细胞发育异常，并且通过荧光原位杂交实验证实了orf610a基因在小孢子和绒毡层中表达。扫描电镜和透射电镜观察结果显示，过表达棉花植株的花粉粒凹陷干瘪，线粒体形态异常。对3个过表达阳性株系花蕾转录组测序分析，共鉴定到1711个共有的差异表达基因，其中包括多个与活性氧代谢和能量生成相关的功能基因。进一步研究发现，orf610a蛋白可与线粒体ATP合酶亚基D（atpQ蛋白）特异性互作，并且过表达株系的ATP合酶活性显著降低。基于此，推测orf610a与ATP合酶亚基的相互作用破坏了正常的线粒体功能和能量产生，最终导致棉花雄性不育。研究结果为深入揭示棉花细胞质雄性不育及其育性恢复机理奠定了理论基础，同时对生产上选育棉花优良恢复系和强优势“三系”杂交种具有重要指导作用。

该研究得到河南省自然科学基金和国家自然科学基金面上项目的资助。团队在读博士研究生韩阳和已毕业硕士生葛李爽为论文共同第一作者，吴建勇研究员和邢朝柱研究员为共同通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70105

orf610a导致哈克尼西棉细胞质雄性不育的作用机制