多倍体水稻具有茎秆粗壮、籽粒增大、抗性增强和营养成分提高等特点，可能是应对未来全球气候变暖和其他异常恶劣环境的储备育种材料之一。近年来，我国培育出多个高育性的四倍体水稻品系，解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题，有望使四倍体水稻得以应用。本基地库刘向东教授团队经过20多年努力培育出高育性新型四倍体水稻（Neo-tetraploid rice），并从中鉴定并克隆到调控新型四倍体水稻育性的基因NTRF1（Neo-Tetraploid Rice FertilityGene 1），但其在正常条件下如何调控多倍体水稻生殖发育的分子机制尚不清楚。
近日，本基地库刘向东团队在植物学TOP期刊“Journal of Integrative Plant Biology”（JIPB，五年影响因子10.8）在线发表了题为“HSP101-encoding NEO-TETRAPLOID RICE FERTILITY GENE 1 regulates tapetum development through interaction with SAPK2 in polyploid rice”的研究论文。该研究揭示了NTRF1与ABA信号通路核心激酶SAPK2互作，调节ABA水平与ROS稳态，从而精准调控绒毡层细胞程序性死亡（PCD）和花粉发育。
本研究中，作者发现NTRF1作为热激蛋白HSP101新等位变异基因改变了mRNA剪切，产生额外的转录本，同时引起热激蛋白的错义突变，使NTRF1蛋白在第三个丙氨酸（Ala）和甲硫氨酸（Met）残基之间形成了新的氢键。作者仔细研究二倍体水稻HSP101和新型四倍体水稻中NTRF1对育性的影响，有趣的是，正常条件下，该基因突变不影响二倍体水稻结实率，但显著降低新型四倍体水稻的花粉育性和结实率（幅度达40%），表明NTRF1在调控新型四倍体水稻花粉育性中具有重要的作用，且功能是特异的。
绒毡层作为花药最内层的体细胞组织，为小孢子的发育提供必需的营养物质，其适时的程序化死亡对花粉发育至关重要。深入研究发现，NTRF1功能缺失破坏花药ROS稳态，引起绒毡层程序性细胞死亡（PCD）延迟，ntrf1突变体成熟花粉粒出现线粒体发育和淀粉粒积累的异常，最后导致花粉活力和结实率下降。RNA-seq分析显示，ABA信号相关基因（OsPP2C49、OsbZIP23）、ROS调控基因（OsRBOH1、OsRBOH8）表达异常，绒毡层关键调控因子（OsGAmyb、CYP703A3）显著下调。转录组和代谢组多组学联合分析表明，花粉活力下降与丙酮酸代谢途径相关。为了寻找NTRF1的作用靶标，作者通过酵母双杂交、BiFC和LCI和Co-IP等实验研究发现，NTRF1可与ABA信号核心激酶SAPK2在细胞质中发生物理互作。另外，外源ABA处理可显著回升ntrf1突变体中的ROS水平并部分恢复突变体的结实率，说明NTRF1-SAPK2互作关系与NTRF1介导的ROS稳态很可能是其调控新型四倍体水稻育性的关键。
最后，该研究提出NTRF1调控新型四倍体水稻初步工作模型），NTRF1通过与SAPK2相互作用来调控活性氧（ROS）的产生，正常的ROS水平可以适时诱导绒毡层细胞发生PCD，从而为小孢子的发育提供充足的物质保障，最终形成高活力花粉。当NTRF1存在缺陷时，ABA和ROS水平降低，导致花粉部分不育。这项研究揭示了HSP101等位基因NTRF1在ABA介导的ROS稳态中的新功能，研究结果可为推进多倍体水稻的遗传改良提供分子靶标和理论依据。
本基地库博士研究生曹立冲和已毕业硕士生黄伟聪为该论文共同第一作者。刘向东教授为该论文通讯作者。于航博士、刘桑林博士、阴建敏、陆紫君博士和吴锦文副教授参与了研究。
论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70218