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FRONT PLANT SCI|南京农业大学揭示OsMFS1/OsHOP2复合体参与水稻雄性和雌性发育

FRONT PLANT SCI|南京农业大学揭示OsMFS1/OsHOP2复合体参与水稻雄性和雌性发育

南京农业大学的赵志刚等在FRONT PLANT SCIIF:4.402)上发表了一篇题为“OsMFS1/OsHOP2 Complex Participates in Rice Male and Female Development”的研究文献,该文献揭示了OsMFS1/OsHOP2复合体参与水稻雄性和雌性发育的现象。

文章来源

背景

减数分裂在配子的产生和后代的遗传多样性中起重要作用。正常的双链断裂(DSB)修复对于同源重组(HR)和DNA片段交换的发生至关重要,但是潜在的分子机制仍然难以预测。针对这个问题,我们在抽穗期对水稻Osmfs1突变体进行了研究。我们的结果表明,异源二聚体复合物OsMFS1/OsHOP2对水稻中DSB的修复至关重要。


结果

Osmfs1突变体的形态学表征

在幼苗期,Osmfs1突变体与野生型无明显差异。然而在开花期,突变体表现出完全的不育性,而杂合植物则表现出完全可育。I2 -KI染色表明,与WT相比,Osmfs1突变体的花粉粒缺乏淀粉。

表型分析

1. WTOsmfs1突变体之间的表型分析

Osmfs1突变体中雄配子的异常发育

为了表征Osmfs1突变体中花粉的发育缺陷,我们用半薄切片检查了花药的发育。在早期的和减数分裂阶段,雄性减数分裂细胞似乎正常发育,野生型和突变型之间没有明显的差异。为了深入了解Osmfs1花粉的异常,进行了SEMTEM观察。总之结果表明,由于花粉发育异常,Osmfs1突变体是雄性不育的。

花药截面比较

2. WTOsmfs1突变体中花药发育的半薄截面比较

电子显微图

3.来自WTOsmfs1突变体的花粉的扫描电子显微图(SEM)和透射电子显微图(TEM

Osmfs1突变体中胚胎囊的发育受阻

为了进一步验证Osmfs1突变体胚囊流产的原因,采用了WCLSM来研究WTOsmfs1突变体胚囊的发育。结果表明Osmfs1胚囊的发育在减数分裂阶段也受到干扰,导致胚囊流产。

胚囊发育

4. WTOsmfs1突变体中的胚囊发育

Osmfs1突变体显示中断的染色体行为

为了进一步研究Osmfs1突变体中的雄性不育,观察了减数分裂染色体行为。结果证实了减数分裂阶段染色体行为混乱是造成异常的关键原因。

减数分裂染色体分布

5. WTOsmfs1突变体中花粉母细胞的减数分裂染色体分布

利用图位克隆技术分离 Osmfs1基因

为了确定该突变体的分子机制,我们使用图位克隆技术分离分离了OsMFS1基因。测序和比较分析显示,LOC_Os09g10850的第9外显子将鸟嘌呤(G)取代为腺嘌呤(A),预计可编码减数分裂的螺旋蛋白。突变导致移码,翻译提前终止。综合研究结果表明,LOC_Os09g10850Osmfs1突变的靶基因。

图位克隆技术及表型比较

6. OsMFS1基因图位克隆技术以及WTOsmfs1突变体之间的表型比较

OsMFS1的表达模式和亚细胞定位

RT-PCR以检查WT的各种组织中OsMFS1的表达,包括叶子、茎、穗等。确认OsMFS1在减数分裂阶段高表达。为了确定OsMFS1蛋白的亚细胞定位,构建了OsMFS1-GFPGFP融合载体,并将OsMFS1-GFP融合蛋白定位在细胞核中,结果表明OsMFS1是核定位蛋白。

表达模式及亚细胞定位

7. OsMFS1的表达模式分析和亚细胞定位

OsMFS1蛋白与OsHOP2相互作用

为了测试OsMFS1OsHOP2在水稻中的相互作用,通过Y2H分析了OsMFS1 OsHOP2之间的蛋白相互作用。结果证明了OsMFS1OsHOP2之间的相互作用。此外,我们通过Y2H分析发现了OsMFS1OsRPA2b之间的新的相互作用,OsRPA2b是另一种减数分裂基因,这种相互作用需要进一步验证。

酵母双杂结果

8.酵母双杂交(Y2H)实验OsMFS1OsHOP2OsRPA2b的相互作用

随后,为了确定OsMFS1OsHOP2之间的联系,研究了Oshop2Osmfs1/Oshop2突变体的减数分裂染色体行为。Oshop2-1Osmfs1/Oshop2在收获期表现出完全的不育性,Oshop2-1Osmfs1/Oshop2Osmfs1-1具有相同的染色体缺陷,表明OsMFS1OsHOP2可能在减数分裂DSB修复过程中以同一途径起作用。结果证实OsMFS1MND1的水稻同源物,并与OsHOP2发生相互作用,参与减数分裂中DSB的修复。

表型分析

9. Osmfs1-1Oshop2-1Osmfs1/Oshop2WT的表型分析

减数分裂染色体行为分析

10. Osmfs1-1Oshop2-1Osmfs1/Oshop2WT 的减数分裂染色体行为分析

结论

结果表明OsMFS1OsRPA2b相互作用,两者之间存在联系。这两种蛋白不仅能形成复合物,还具有独立的功能。我们的结果证实,Osmfs1突变体的表型是由OsMFS1/OsHOP2复合体功能的丧失诱导的,并且DSB无法修复。下一步将进行有关同源重组的OsMFS1各个特征的深入研究。

该研究得到了国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金的支持。


参考文献

1Aklilu, B. B., Soderquist, R. S., and Culligan, K. M. (2014). Genetic analysis of the replication protein a large subunit family in Arabidopsis reveals unique and overlapping roles in DNA repair, meiosis and DNA replication. Nucleic Acids Res. 42, 3104–3118. 

2Allers, T., and Lichten, M. (2001). Differential timing and control of noncrossover and crossover recombination during meiosis. Cell 106, 47–57. 

3Bergerat, A., Massy, B. D., Gadelle, D., Varoutas, P. C., Nicolas, A., Forterre, P., et al. (1997). An atypical topoisomerase II from Archaea with implications for meiotic recombination. Nature 386, 414–417. 

文献链接

https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00518

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南京农业大学的赵志刚等在FRONT PLANT SCI(IF:4.402)上发表了一篇题为“OsMFS1/OsHOP2 Complex Participates in Rice Male and Female Development”的研究文献,该文献揭示了OsMFS1/OsHOP2复合体参与水稻雄性和雌性发育的现象。
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