MOF1 调控水稻雄性减数分裂机制揭秘：为作物生殖研究点亮新光

为探究 MOF1 在水稻雄性减数分裂中的具体功能，研究人员对其开展研究。他们鉴定出两个 mof1 突变株系，发现 MOF1 突变会降低结实率和花粉育性，且能与 RPA1c、RPA2c等互作。该研究有助于理解水稻花粉育性调控网络。

　　在全球粮食安全的大棋盘上，水稻（Oryza sativa L.）占据着举足轻重的位置，其生殖调控直接关乎种子产量，像神秘的密码等待科学家去破解。减数分裂作为植物生殖过程中极为关键的一环，是形成配子的特殊细胞分裂方式。在此过程中，细胞经过一次 DNA 复制和两次连续分裂，将二倍体细胞转变为单倍体配子，这一过程对维持染色体稳定性和增加遗传多样性至关重要。水稻减数分裂过程涉及众多复杂事件，如减数分裂起始、DNA 双链断裂形成、联会复合体形成以及交叉互换形成等，任何一个环节出现差错，都可能导致雌雄配子不育。

尽管科学家们已陆续发现一系列水稻减数分裂调控因子，但性别特异性的减数分裂调控机制仍迷雾重重。MORE FLORET1（MOF1）此前被发现参与调控花器官发育和花粉发育，然而它在雄性减数分裂过程中的具体作用却不为人知。为了揭开这层神秘面纱，来自华南农业大学的研究人员勇挑重担，深入开展研究，相关成果发表在《Rice》杂志上。

研究人员运用了多种技术方法来开展此项研究。首先利用 CRISPR/Cas9 系统构建了两个在日本晴（Nipponbare）背景下的 mof1 突变株系 Nip - mof - 3 和 Nip - mof - 4；借助生物信息学分析，对 MOF1 的同源基因和单倍型进行研究；通过 RT - qPCR 技术检测基因表达水平；运用细胞学观察，研究花粉母细胞减数分裂过程中染色体的行为和形态；利用酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）实验，鉴定与 MOF1 相互作用的蛋白；还进行了亚细胞定位实验，探究相关蛋白在细胞中的定位情况 。

研究结果

1. MOF1 基因的相关分析：通过生物信息学分析发现，MOF1（LOC_Os04g47890）在拟南芥、玉米、小麦等多种植物中存在同源基因，LOC_Os02g45080 是其旁系同源基因。对 2975 份栽培稻种质资源的单倍型分析显示，MOF1 存在 8 种 CDS 单倍型，涉及 4 个 SNP。其中，Hap1 在粳稻种质中占比 98.94%，Hap2 和 Hap3 在籼稻种质中分别占比 46.45% 和 38.61%1。
2. MOF1 缺陷对水稻表型的影响：构建的 Nip - mof - 3 和 Nip - mof - 4 突变体在营养生长阶段表现正常，但结实率大幅下降，分别仅为 3.81% 和 5.21%，远低于野生型的 81.51%；花粉育性也显著降低，分别为 61.82% 和 46.30%，而野生型为 90.00%。此外，突变体的平均粒数和株高明显减少，但剑叶宽度、长度及穗长无显著变化2。
3. MOF1 对雄性减数分裂二价体形成的调控：观察花粉母细胞（PMC）减数分裂过程发现，野生型 PMC 在终变期染色体正常形成 12 个有序的二价体，并在中期 I 整齐排列在赤道板上，异常率仅 1.34%。而 Nip - mof1 - 3 突变体在终变期，50.00% 的 PMC 无法正常形成 12 个二价体，出现 2、4、6、8 或 20 - 24 个单价体；中期 I 时，52.32% 的 PMC 出现染色体异常拖曳行为。这表明 MOF1 在水稻雄性减数分裂过程中对二价体形成起着关键作用34。
4. 与 MOF1 相互作用的蛋白鉴定：研究人员起初分析了 59 个已知减数分裂基因在 mof1 减数分裂花药中的表达水平，未发现显著差异，推测 MOF1 可能并非作为转录因子调控减数分裂。随后通过 Y2H 实验，发现 MOF1 与 RPA2_c、RPA1_c相互作用，且 RPA2_c与 RPA1_c也存在相互作用。BiFC 实验进一步证实了 MOF1 与 RPA1_c/RPA2_c之间的物理相互作用。此外，还鉴定出 FAR1（LOC_Os02g39520）能与 MOF1、RPA1_c和 RPA2_c相互作用，表明 MOF1 可能参与一个与 RPA2_c、RPA1_c和 FAR1 相关的相互作用网络56。
5. MOF1 相互作用基因的表达分析和亚细胞定位：RNA - seq 数据集分析表明，MOF1、RPA1_c、RPA2_c和 FAR1 在花药中共同表达。RT - qPCR 分析显示，FAR1 在花药发育过程中表达量较高，从 S6 到 S11 期维持相对较高水平。将 MOF1 和 FAR1 与绿色荧光蛋白（GFP）融合并在烟草表皮细胞中表达，发现它们主要定位于细胞核。对 Nip 和 Nip - mof1 减数分裂花药的 RT - qPCR 分析表明，RPA1_c、RPA2_c和 FAR1 的转录水平在两者之间无显著差异7。

研究结论与讨论

研究进一步证实了 MOF1 突变会导致二倍体水稻花粉不育和减数分裂异常。MOF1 蛋白可与两个减数分裂调节因子 RPA1_c和 RPA2_c相互作用，且 MOF1 - RPA1_c - RPA2_c还能与 FAR1 相互作用，这些相互作用蛋白在花药发育过程中共表达。这表明 MOF1 并非作为关键减数分裂基因的上游调节因子，而是作为相互作用蛋白来调节水稻雄性减数分裂过程，影响花粉发育。

该研究成果为理解水稻花粉育性调控网络提供了重要线索，有助于深入挖掘水稻生殖调控的分子机制，为后续利用不育基因资源和开发新的生物技术应用奠定了理论基础，对提高水稻产量和保障全球粮食安全具有重要意义。