曹晓风/陈宇航/杨远柱研究团队合作揭示水稻温敏不育分子机制
杂交水稻技术是中国农业科技进步的重要标志之一，自1973年研究成功以来，在中国已累计推广面积6亿公顷，累计增产稻谷8000多亿公斤。在全球已有70多个国家示范推杂交水稻，极大地提高了中国乃至世界的水稻产量，为解决中国乃至世界人民的“吃饭问题”做出了实质性贡献。
目前，中国杂交水稻年种植面积约1466万公顷，占水稻总种植面积的50%。中国独创的两系法杂交水稻育种技术，通过光/温敏雄性核不育系（P/TGMS），实现了不育系的“一系两用”，简化了种子生产流程，节省了资源；同时，由于光温敏雄性核不育系的育性受隐性核基因控制，不受亲本恢保关系限制，配组自由，恢复系资源利用范围广，因此，更易培育出强优势杂交稻组合。两系法杂交水稻育种技术以其独特的技术和品种优势，成为水稻杂种优势利用的主要途径，据2023年农村农业部全国农作物主要品种推广情况统计数据，我国杂交水稻主要品种种植面积16128万亩，其中两系杂交水稻占8028万亩，占比达49.8%。值得注意的是，超过95%的两系法杂交稻品种的母本源于含温敏雄性不育基因tms5的两用核不育系，凸显了tms5在两系法杂交稻育种中的核心地位。 前期中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风团队和华南农业大学庄楚雄教授团队合作研究发现TMS5编码核酸酶RNase ZS1，tms5上携带的点突变导致RNase ZS1蛋白提前终止，但tms5介导温敏雄性不育的机制仍需深入探究。遗传发育所曹晓风团队、陈宇航团队及袁隆平农业高科技股份有限公司杨远柱团队历经十余年合作研究，于2024年9月9日在Cell Research上在线发表了题为“Impaired2′,3′-cyclic phosphate tRNA repair causes thermo-sensitive genic male sterility (TGMS) in rice”的论文(DOI:10.1038/s41422-024-01012-4)，揭示了tms5通过修复2′,3′-环磷-tRNA调节tRNA循环进而调控水稻温敏雄性不育的分子机制，为作物温敏不育现象提供了机制层面的新见解。 研究团队首先通过体外酶活系统发现TMS5作为tRNA 2′,3′-环磷酸酶能够介导2′,3′-环磷-ΔCCA-tRNA（cP-ΔCCA-tRNA）的修复。接着，对TMS5的晶体结构进行解析，揭示了其关键酶活位点、二聚化位点以及核酸结合区域。并通过突变和体外酶活实验证实了这些位点对于其酶活性是至关重要的。进一步将关键酶活性位点突变的TMS5分别导入tms5突变体中，通过表型分析发现TMS5的酶活性对维持水稻的高温育性是必需的。随后，研究团队分别开发了高通量测定环磷RNA (RcP-RNA-seq)和全长tRNA (FINE-tRNA-seq)技术，利用这两种高通量测序技术发现 tms5突变体中由于失去环磷tRNA修复酶活，导致cP-ΔCCA-tRNA过度积累，并且高温加剧cP-ΔCCA-tRNA的过度积累。而cP-ΔCCA-tRNA过度积累导致tRNA循环失败、成熟tRNA丰度降低，尤其是丙氨酸tRNA（tRNA-Ala）的丰度降低最为显著。在tms5突变体中过表达tRNA-Ala可使花粉育性最高恢复到70%，说明成熟tRNA缺乏是导致tms5高温不育的主要原因。值得注意的是，cP-ΔCCA-tRNA生成酶OsVms1被敲除则可在高温下完全恢复tms5突变体的雄性育性。 综上，该研究揭示了TMS5突变致使环磷tRNA修复失败、成熟tRNA无法循环再利用，从而导致温敏不育的分子机理。由于玉米TMS5突变也会导致温敏不育的表型，另外TMS5和其哺乳动物同源蛋白ELAC1在结构上非常类似，也具有同样的tRNA环磷酸酶活性，因此，该研究不仅能为其他作物的杂交育种提供理论支持，有助于培育其他作物的温敏核不育系，也为理解人类和高等动物的生殖生物学，尤其是在生殖健康和生育治疗方面提供新的视角。 曹晓风研究组晏斌博士、刘春艳副研究员、孙婧副研究员、陈宇航研究组已毕业硕士研究生毛洋和曹晓风研究组博士研究生周灿为论文第一作者。曹晓风研究员、陈宇航研究员、杨远柱研究员和刘春艳副研究员为共同通讯作者。宋显伟青年研究员参与了该项研究。该研究得到了农业农村部重大项目、科技部重点研发项目、国家自然科学基金和中国科学院先导项目资助。
![]()
tms5介导温敏不育的分子机理模式图
9月11日，中国科学院遗传与发育生物学研究所张永清研究员（现任湖北大学生命科学学院教授）团队与中国科学院自动化所余山研究员、英国林肯大学郭昆教授以及北京师范大学卢春明教授合作，在国际著名学术期刊Advanced Science上发表了题为“Disrupted human–dog interbrain neural coupling in autism-associated Shank3 mutant dogs”（Shank3突变犬的人–犬跨脑同步化缺陷）的封面论文。张永清研究员为该论文通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所博士研究生任炜为第一作者。
众所周知，家犬是人类最忠诚的朋友，能与人进行亲密而有效的社交互动。然而这种独特的跨物种社交互动的神经机制尚不清楚。跨脑同步化，即同物种不同个体间脑电活动的同步，代表了社交互动的神经基础。该研究团队首次发现了家犬与人社交互动时的跨脑同步化现象。该团队通过分析家犬和人在社交互动过程中的脑电信号，发现了互相凝视和抚摸可以分别在家犬与人的额叶和顶叶区域诱导神经活动的同步化。这种同步化的强度随着家犬与人的熟悉度增加而增强。且通过信息流分析发现，在社交互动过程中脑电信息流方向是从人到犬，提示在人犬社会关系中人是领导者，而犬是跟随者。此外，合作团队通过对新建立的孤独症家犬模型研究，发现了孤独症突变犬存在跨脑同步化缺陷和注意力缺陷。针对以上的异常表现，该团队尝试用致幻剂麦角酸二乙酰胺（lysergic acid diethylamide, LSD）进行干预，发现LSD具有显著的挽救效果。该研究首次揭示了犬与人跨物种社交互动中的神经机制，即跨脑脑电同步化现象，并揭示致幻剂LSD具有改善孤独症社交障碍的临床转化潜力。 本研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委和北京市科学技术委员会等项目的资助。张永清教授研究团队长期以果蝇、非人灵长类猕猴为实验体系，近年来主要聚焦家犬遗传模型（家犬模型特别适合于以社交和情感障碍为主的精神疾病基础和转化研究），通过多学科的研究手段包括基因编辑，脑影像和电生理分析以及行为学和认知功能分析等致力于研究神经突触的发育和功能调控，发现了多个调控突触发育的新通路和新机制，以及相关重大神经疾病特别是自闭症的分子细胞和神经环路机制；在国际上首创孤独症家犬模型。![]()
图：孤独症犬模型的人犬跨脑同步化缺陷及LSD药物挽救
孤独症相关Shank3突变犬触觉加工的神经机制和干预中国科学院遗传与发育生物学研究所张永清研究组和中国科学院心理研究所胡理研究组在Science Bulletin发表题为“Impaired Tactile Processing in Autism-Associated Shank3 Mutant Dogs: Neural Mechanism and Intervention”的研究论文。该研究证明了Shank3基因在躯体感觉加工中的重要作用，并发现GABAAR拮抗剂可以挽救由Shank3突变导致的触觉和社交异常表型。研究结果为理解自闭症谱系障碍（ASD）中触觉加工和社交互动之间的关系提供了新证据，并为部分ASD患者的治疗提供了潜在的干预手段。 ASD患者通常表现出躯体感觉加工异常，包括对触觉刺激的敏感性变化。前期研究表明，发育早期的触觉功能紊乱与ASD核心表型中的社交互动缺陷密切相关，凸显了触觉在ASD中的重要作用。然而，ASD患者触觉反应异常的神经机制仍不清楚。SHANK3是编码突触后脚手架蛋白的基因，是ASD患者中常见的致病突变基因之一。家犬在漫长的历史中与人类共同进化，是研究人类精神障碍疾病的有效动物模型。本研究使用Shank3突变家犬模型研究了与ASD相关的触觉加工异常。 研究表明，与野生型犬相比，Shank3突变犬对触觉刺激的敏感性下降，躯体感觉皮层的触觉诱发响应和触觉适应性均减弱。此外，Shank3突变犬的静息态大脑神经振荡活动也减弱。这些结果揭示了ASD患者躯体感觉异常的潜在神经机制。 先前的研究表明，γ氨基丁酸A型受体（GABAAR）拮抗剂—戊四氮（PTZ）可以提高静息态大脑神经振荡活动。因此，本研究尝试将PTZ作为一种潜在的药物干预手段，试图改善Shank3突变犬的触觉异常和社交表型。结果表明，PTZ不仅可以改善Shank3突变犬的触觉反应和大脑神经振荡活动的异常，还可以改善其社交行为，即增加了人犬社交互动的时间。 总之，该研究揭示了Shank3基因在躯体感觉加工中的关键作用，证明Shank3基因突变导致家犬的触觉反应减弱。GABAAR拮抗剂可以有效挽救由基因突变导致的触觉和社交异常，这为部分ASD患者的潜在药物干预提供了新方向。 该论文的第一作者为中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生史奇，张永清研究员和中国科学院心理研究所胡理研究员担任共同通讯作者。英国林肯大学的郭昆教授和美国耶鲁大学的姜永辉教授也对该研究做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和春城计划项目的资助。![]()
图:GABAa受体拮抗剂可以挽救Shank3突变犬受损的触觉敏感性和人犬社交互动
肖军研究组解析小麦淀粉和贮藏蛋白累积的分子调控机理高产优质是小麦(Triticum aestivum L.)培育的重要目标。籽粒淀粉和贮藏蛋白(Seed storage protein, SSP)含量及组成是决定小麦产量和品质的两个关键因素。其中，淀粉含量与粒重紧密相关，而SSP含量和组成决定着面粉的加工品质。但小麦SSP含量(加工品质)往往和淀粉含量(产量)负相关。目前人们虽然对小麦SSP编码基因以及淀粉生物合成酶编码基因表达调控的转录因子已有部分报道，但其调控机制以及转录因子如何同时调节SSP和淀粉积累从而协调品质和产量之间的平衡却鲜有报道。 近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究组通过小麦胚乳发育不同阶段的转录组和表观遗传学数据，鉴定到了一组能同时调控淀粉和贮藏蛋白生物合成的转录因子复合物TaNF-Y，包括TaNF-YA3-D、TaNF-YB7-B和TaNF-YC6-B。该复合物通过自身转录模式的变化直接或间接调控SSP和淀粉合成。通过RNAi干扰技术将TaNF-YA3和TaNF-YC6基因沉默后，淀粉含量下降，贮藏蛋白含量上升。进一步分析发现，TaNF-Y复合物通过和多梳抑制复合物2 (Polycomb Repressive Complexes 2, PRC2)互作招募后者，累积组蛋白H3K27me3修饰抑制贮藏蛋白编码基因TaLMW-400和TaGli-γ-700以及淀粉编码基因负调因子TaNAC019的转录，进而直接调控小麦SSP和间接调控淀粉累积。此外，TaNF-YB7-B编码区的自然变异影响了其与PRC2的互作强度，单倍型TaNF-YB7-BHap-2表现出较高的淀粉含量和较低的SSP含量，在育种过程中受到正向选择，这与我国育种过程对产量提升的目标相符合。 该研究以“NUCLEAR FACTOR-Y-POLYCOMB REPRESSIVE COMPLEX2 dynamically orchestrates starch and seed storage protein biosynthesis in wheat”为题于2024年9月18日在线发表于The Plant Cell杂志(DOI: 10.1093/plcell/koae256)，肖军课题组博士生陈进超，博士毕业生赵龙和博士后李浩然为该论文共同第一作者，遗传发育所王冬至助理研究员，博士毕业生张昊和中国农业大学杨常峰博士也参与了本研究。遗传发育所肖军研究员为唯一通讯作者，中国农业大学姚颖垠教授、中国农科院作科所张学勇研究员、山东农业大学张宪省教授等为该研究提供了指导和帮助。该研究得到了中国科学院先导A专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市杰出青年科学基金等项目的资助。![]()
图 TaNF-Y调控小麦淀粉和贮藏蛋白累积的工作模式
大豆(Glycine max L. Merr.)作为全球重要的油料作物和经济作物之一，是人类优质蛋白和饲料蛋白的主要来源。尽管大豆原产于中国，但目前我国大豆供需矛盾严重，约85%的需求依赖进口。主要原因在于我国大豆单产水平低，导致国内大豆产能供不应求。因此，提高我国大豆单产刻不容缓。种子大小是决定大豆产量的关键因素之一，大豆种子大小关键基因的鉴定及其调控机制的解析，对利用分子设计育种培育高产大豆新品种具有重要意义。 近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所种子创新重点实验室田志喜课题组通过连续两年对1,800多份大豆种质资源籽粒宽度性状的全基因组关联分析，在17号染色体上鉴定到一个与粒宽紧密关联的稳定信号区间。进一步结合QTL定位分析，确定了一个控制大豆籽粒宽度的基因GmSW17 (Seed Width 17)。GmSW17编码一个含有锌指结构域(Zinc finger, Zf)和泛素羧基末端水解酶(Ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase, UCH)结构域的去泛素化酶，是拟南芥UBP22的同源基因。遗传分析发现，GmSW17正调控大豆粒宽和粒重，CRISPR/Cas9基因敲除株系粒宽明显减小，小区产量明显下降；过表达株系粒宽显著变大，小区产量明显增加。进一步，通过酵母双杂交、双分子荧光互补和免疫共沉淀实验发现，GmSW17、GmSGF11和GmENY2三个蛋白可以形成一个以GmSGF11为骨架的去泛素化模块(DUBm)，具有去泛素化H2Bub活性，且GmSW17H2比GmSW17H1活性强。转录组和表观组学联合分析发现，GmSW17通过改变GmDP-E2F-1位点的H2Bub水平来调控G1/S期转换，从而影响细胞增殖和细胞扩张，最终调控大豆种子发育。 此外，在野生大豆驯化成地方品种再到栽培大豆的过程中，GmSW17H1的比例逐渐减少，而GmSW17H2的比例则逐渐增加。群体分析表明，在大豆驯化过程中，GmSW17经历了人工选择，但在现代育种中尚未被固定。图1：GmSW17不同单倍型调控大豆种子大小的分子机制 综合上述结果，我们提出了GmSW17-GmSGF11-GmENY2-GmDP-E2F-1调控种子大小的分子机制：GmSW17 (包括GmSW17H1和GmSW17H2)与GmSGF11和GmENY2形成三聚体DUBm，影响GmDP-E2F-1位点的H2Bub水平，进而调控大豆种子细胞的细胞周期转变。而GmSW17H1相较于GmSW17H2去泛素化组蛋白H2B的活性较弱，导致GmDP-E2F-1位点H2Bub水平降低程度较小，使其表达量较高，从而阻碍了G1到S期的转变，最终导致较小的种子产生。 该研究成果以题为“Natural variation in GmSW17 controls seed size in soybean”于2024年8月28日在线发表于Nature Communications。田志喜课题组博士生梁闪和崖州湾国家实验室青年科学家段宗彪为该论文共同第一作者，田志喜研究员和刘书林副研究员为通讯作者，该课题得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省种业实验室和中国科学院战略先导专项等项目支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51798-5
降雨强研究组在纳米探针构建及其生物影像应用取得新进展Advanced Composites and Hybrid Materials金纳米颗粒 (AuNPs) 是一种贵金属纳米材料，具有独特的理化特性、易于功能化修饰和良好的生物相容性等优势，已广泛应用在生物传感、生物成像、疾病诊断、癌症治疗等诸多领域。尺寸大于 2 纳米的发光金纳米颗粒 (L-AuNPs) 是近年来发展起来的一类性能优异的新型发光材料，在生物医学成像领域具有重要的应用价值。然而，目前发光金纳米颗粒L-AuNPs的合成策略单一、主要采用热还原法，存在步骤繁复、劳动量大的问题；高温条件下对设备的要求较高，能耗较大，且部分还原剂可能具有毒性或易燃易爆等安全隐患；更为重要的是基于热还原法制备的发光金纳米颗粒发光效率较低，这些都严重限制其生物医学中的应用。 中国科学院遗传与发育生物学研究所降雨强研究组与北京大学、海军军医大学第一附属医院（上海长海医院）、中国中医科学院针灸研究所、中国人民大学等单位合作，发明了一种简便的光化学路线，用于制备表面包被 2-正己基硫基-1,3,4-噻二唑-5-硫醇(HTT)的发光性能优异的发光金纳米颗粒(L-AuNP@HTT)。实验结果表明，该类 L-AuNP@HTT 的直径为 3.19 nm，具有优异的光致发光 (PL) 特性：高量子产率 (φ，12.9%)、超长发光寿命 (~ 1 μs)、对称的 PL 曲线以及窄的最大半高宽 (FWHM , ≤ 49 nm)等。此外，它们还显示出异常大的双光子吸收 (TPA) 截面 (σ)，高达 8.0 × 104 GM (1 GM = 10-50 cm4 s photo-1)。进一步高分子包埋处理后 (即 p-AuNPs)，每个粒子的 TPA 截面可进一步提高到 1.1 × 108 GM，远远高于罗丹明、FITC等传统荧光染料 (<102 GM)。此外，研究还发现，这些制备的 p-AuNPs 显示出优异的光稳定性和高效的线粒体靶向性。基于上述 p-AuNPs 成功实现了高质量的线粒体靶向双光子激发发光 (TPEL) 成像、深层组织时间门控 (time-gated) 延时成像和活体计算机断层扫描 (CT) 成像。这些成果为高性能发光金纳米颗粒的简易合成铺平了道路，使其能广泛应用于生物成像领域。
该研究以“Highly luminescent gold nanoparticles prepared via a facile photochemical method for bioimaging applications”为题于近日发表于Advanced Composites and Hybrid Materials 杂志 (DOI: 10.1007/s42114-024-00964-w)，降雨强研究组已毕业博士生燕飞虹和北京大学沙印林课题组已毕业硕士生杨璐璐为该论文的共同第一作者。北京大学沙印林教授、海军军医大学第一附属医院（上海长海医院）刘智勇主诊医师、遗传发育所降雨强研究员、韩荣成副研究员为共同通讯作者，中国中医科学院针灸研究所张维波研究员、宋晓晶副研究员和中国人民大学付立民教授、张建平教授等为该研究提供了指导和帮助。该研究得到了中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金和三亚崖州湾科技城科研项目等项目的资助。
![]()
图1. 新型高效发光金纳米粒子的简便光化学合成及其在生物成像中的应用。
《Nano Letters》期刊封面报道科学家利用介孔二氧化硅纳米颗粒助力野生稻抗落粒介孔二氧化硅MSN （Mesoporous Silica Nanoparticle）可以用作药物递送和稳定剂。植物上，MSN作为纳米材料可作为纳米肥料及基因枪轰击载体进行小分子递送。此前，国家纳米科学中心曹宇虹研究团队成功应用30 nm粒径的MSN 将siRNA递送至烟草，然而，能否通过MSN将siRNA递送至叶片含有蜡质的水稻中，进而瞬时调控水稻基因的表达还不清楚。 近日，国家纳米科学中心曹宇虹研究团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋研究团队合作，在《纳米快报》（Nano letters）杂志上发表了题为“Improving Seed Shattering Resistance in Wild O. alta Rice with Mesoporous Silica Nanoparticle Delivery Systems”（ Nano Lett. 2024, 24, 38, 11823–11830 DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02297）的研究论文，并入选当期封面文章（Cover Article）。该研究通过荧光标记和电镜观察确定MSN可递送至活体水稻细胞中。为进一步探究MSN-siRNA介导的基因沉默是否可以引起植株表型的变化，该研究利用叶面喷洒MSN-siRNA递送系统的方法，确认该递送系统能成功递送PDS siRNA并敲低PDS基因。野生稻叶片可通过重复喷洒维持PDS基因的持续低表达，呈现白化表型。通过将Ruby siRNA喷施到UBI:RUBY转基因材料的叶片上，实现了RUBY基因的敲低并可以将红色叶片恢复至绿色叶片，这些结果表明MSN-siRNA系统介导的基因沉默可以引起目标表型的改变。进一步，作者测试该体系能否在难以遗传转化的野生稻中发挥功能，并将携带四倍体水稻中4组落粒基因（每组基因包含CC和DD染色体上的同源基因）的siRNA的MSN-siRNA递送系统以注射的方式施加入稻穗中，持续处理至穗抽出。通过检测小穗中落粒基因的表达，确定4组落粒基因均被敲低，且成功抑制小穗离层的形成。此递送系统能在植物上持续重复施加，且在施加周期能持续维持靶基因低表达状态，其作用周期可控，敲低基因效率高，为植物上基因表达调控相关研究提供了一个有效工具，且该递送体系未通过转基因操作，可为探究未建立遗传转化体系的植物进行基因功能研究提供可行方法。
国家纳米科学中心刘祝江特别研究助理和中国科学院遗传与发育生物学研究所已毕业博士研究生张静昆为该论文共同第一作者，国家纳米科学中心曹宇虹研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队孟祥兵高级工程师为论文的共同通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士对本研究进行了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年基础研究项目的资助。
![]()
图：MSN递送siRNA抑制水稻落粒的工作模式图
杂交水稻的培育和推广在提升我国粮食产量和保障粮食安全方面发挥着至关重要的作用。然而，由于遗传重组和性状分离，杂交水稻无法像常规水稻那样进行留种使用。这导致育种家和种子企业每年需投入大量人力物力进行繁琐的杂交制种工作，农民也必须年年重新购买新种子。无融合生殖作为一种通过种子进行克隆繁殖的无性生殖方式，能够固定杂种优势，解决杂交水稻无法留种的问题。2019年，王克剑团队首次在杂交水稻中建立了无融合生殖体系Fix (Fixation of hybrids)，成功获得了杂交水稻的克隆种子，实现了杂交水稻无融合生殖从0到1的原始突破（Wang et al., 2019）。然而，Fix体系存在结实率低和克隆种子效率低的问题，限制了其实际应用。为克服Fix体系的不足，团队深入挖掘并成功筛选出新的内源基因OsBBM4，在此基础上建立了结实率完全正常的无融合生殖体系Fix2（Wei et al., 2023），成功解决了无融合生殖杂交水稻结实率低的问题，但Fix2体系在克隆种子诱导效率方面仍有待进一步提升，亟需新的技术突破。 近日，中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室王克剑团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士团队合作在植物学知名期刊Plant Communications上发表了题为“OsWUS-driven synthetic apomixis in hybrid rice”的文章（DOI: 10.1016/j.xplc.2024.101136）。该研究成功利用水稻内源基因OsWUS，构建了新的结实率完全正常的无融合生殖体系。![]()
在前期建立的无融合生殖系统中，诱导孤雌生殖的基因均首先在具有无融合生殖能力的植物中被发现。例如，BBM基因最初在非洲狼尾草中被发现（Conner et al., 2015），而PAR基因则在无融合生殖的蒲公英中被鉴定（Underwood et al., 2022）。本研究首次发现水稻内源基因OsWUS能够被调控诱导无融合生殖，实现克隆种子的生产，同时不影响水稻的结实率。OsWUS即MOC3基因，前期李家洋团队研究表明：MOC3在调控分蘖芽的形成和发育中发挥至关重要的作用，其突变会导致分蘖芽形成受阻，表现出分蘖数显著减少的表型（Lu et al., 2015; Shao et al., 2019）。此外，过表达WUS基因能够在拟南芥等植物中促进体细胞胚的产生和芽再生（Zuo et al., 2002）。研究团队首先构建了由拟南芥卵细胞特异性启动子pAtDD45驱动OsWUS的异位表达载体，并将其转入杂交水稻春优84（CY84）中。单独转化OsWUS过程中出现了植株再生困难、转化植株表现矮化及不育等表型；进一步通过异位表达OsWUS结合MiMe策略（将减数分裂转变为类似有丝分裂），成功获得生长发育正常的Fix3（Fixation of hybrids 3）材料。研究团队通过共聚焦显微镜观察发现，约20%的去雄Fix3植株胚珠中出现了不依赖受精的胚胎发育现象，表明卵细胞特异性表达OsWUS能够部分替代受精过程，诱导孤雌生殖。此外，Fix3株系表现出与野生型杂交水稻相似的农艺性状，不仅保持了完全正常的结实率，而且呈现了较高的克隆种子效率，部分株系的克隆效率达到21.7%左右。进一步的表型观察发现，这些克隆植株后代的表型与野生型杂交水稻高度相似，同时也保持了正常结实率。
基于OsWUS基因构建的Fix3无融合生殖系统不仅保持了正常的结实率，还在不同株系中表现出不同的克隆种子效率，显著高于基于OsBBM4系统建立的Fix2无融合生殖系统，展现出更大的应用潜力。然而，与基于OsBBM1（Khanday et al., 2019; Vernet et al., 2022）和蒲公英PAR基因（Song et al., 2024）建立的无融合生殖系统相比，目前基于OsWUS的无融合生殖系统的克隆效率仍有待进一步提升，未来可通过挖掘更多水稻内源的卵细胞特异性启动子，或者聚合更多不影响结实率的内源基因，有望在保持正常结实率的基础上，进一步提升克隆种子效率。此外，由于多种作物中存在OsWUS的同源基因，理论上该系统可推广至其他杂交作物中，推动更广泛的杂种优势利用。
![]()
中国水稻研究所的黄勇助理研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所的孟祥兵高级工程师、浙江师范大学的饶玉春教授为该论文的共同第一作者，中国水稻研究所王克剑研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士为该论文的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划、海南省种业实验室和崖州湾国家实验室基础研究基金等项目的支持。
内吞是将细胞外或细胞膜上的物质通过细胞膜运输进入细胞的囊泡运输过程，内吞后的货物会被运送到早期内体进行分选，其中约70-80%的内吞后的受体、通道蛋白和转运蛋白等，会通过循环途径再次回到细胞膜。然而，对于上千种不同的膜蛋白是如何循环的途径以及机制仍然知之甚少，是否存在独立于经典的“快速”和“慢速”途径之外的循环方式仍然有待探索。 2024年9月19日，中国科学院遗传与发育生物学研究所的何康敏课题组在Nature Cell Biology杂志在线发表了题为“Clathrin-associated carriers enable recycling through a kiss-and-run mechanism”的研究论文。该研究利用一种耦合探测膜脂探针和多种成像技术，发现了一条新的快速囊泡循环途径，将其命名为CARP（clathrin-associated fast endosomal recycling pathway）。
利用前期开发的clathrin包被内吞囊泡特异的磷酸肌醇分子PI(4,5)P2的耦合探测探针（Nature 2017;552(7685):410-414），通过三色全内反射荧光显微镜（TIRFM）成像，该研究发现了一类在细胞膜上短暂停留的clathrin阳性AP2阴性的囊泡，其能够快速招募PI(4,5)P2特异的耦合探测探针。进一步，通过采用3D活细胞成像、超分辨成像、光电联合成像等，证明了该囊泡是来自于细胞内的clathrin和AP1阳性的囊泡结构，其能够以“kiss-and-run”的方式，与细胞膜发生数秒到数十秒的互作并再次回到细胞内，其独特的动力学与经典的内吞囊泡和循环囊泡均不同，该团队将其命名为CARP囊泡。
通过建立基于TIRFM的活细胞成像筛选和图像分析体系，发现了CARP囊泡相关的一系列蛋白分子，这些蛋白在CARP囊泡与细胞膜融合前、融合中、剪切后等不同阶段招募，介导CARP囊泡的生成、运输或融合。此外，通过敲除和敲降retromer、retriever等retrieval复合物的核心组分，发现CARP囊泡以独立于retrieval复合物的方式形成于早期内体。在功能上，CARP囊泡能够介导转铁蛋白受体等受体的持续性循环，也能介导β2-肾上腺素能受体和表皮生长因子受体等信号转导受体的快速循环。
因此，借助于耦合探测脂质探针、基因编辑、多种成像技术和图像定量分析等技术方法，该研究发现的CARP循环途径，在生成方式、膜融合方式、功能以及关键调控因子等方面，与经典的循环途径有所不同，可能是细胞内一种新的循环机制。
中国科学院遗传与发育生物学研究所何康敏研究员为本论文的通讯作者，助理研究员徐家超、博士生梁昱、助理研究员李楠、工程师党颂为该论文的共同第一作者。该研究工作得到了中国科学院生物物理所李栋研究员、北京大学刘小云教授、华中科技大学史岸冰教授、北京大学刘轶群博士等的倾力合作与支持。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。
![]()
