在国家自然科学基金等项目资助下，华南农业大学农学院教授陈乐天/谢勇尧团队研究揭示了核基因监控线粒体蛋白积累的分子谜题。相关成果近日在线发表于美国《国家科学院院刊》（PNAS）。

泛素-蛋白酶体系统（UPS）限制不育蛋白WA352在花药积累的分子调控模型。研究团队供图

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植物细胞质雄性不育（CMS）是三系杂交作物育种的核心遗传材料，也是研究核质互作的经典模型。CMS基因通常是一类在植物不同组织中组成型表达的线粒体基因，其编码蛋白却只在花药中特异性积累，从而仅导致花粉（雄配子）败育。CMS不育蛋白这种时空特异性积累模式广泛存在于水稻、玉米、油菜、甜菜、菜豆等多种作物，但其分子调控机理是一个长期悬而未决的科学谜题。

该研究发现泛素-蛋白酶体系统（UPS）是介导CMS蛋白在营养器官持续被降解的关键途径；详细阐明了UPS系统核心元件调控CMS蛋白在花药时空特异性积累的分子机理，从而揭开了核基因监控线粒体蛋白积累的分子谜题，也为CMS系统在杂交育种中的可持续发展与应用提供了新理论指导依据。

水稻野败型CMS（CMS-WA）是当前三系杂交稻生产中应用最广的不育系统（占比超过90%）。研究表明：CMS-WA不育基因WA352呈现组成型表达，其编码蛋白WA352通过结合线粒体呼吸链的重要组成元件细胞色素c氧化酶11（COX11），引起过氧化物爆发而产生细胞毒性。进一步研究发现，WA352蛋白仅在花药小孢子母细胞时期积累，导致水稻花粉败育；在营养器官及其他发育时期，WA352则持续被UPS途径降解，从而避免对植株正常生长发育造成损害。

深入的分子研究显示，UPS降解系统的E3核心元件F-box蛋白（WIF）与WA352互作，通过识别并泛素化WA352蛋白的N端线粒体跨膜区域，介导不育蛋白WA352的降解。但编码F-box蛋白的核基因WIF在花药小孢子母细胞时期的表达水平显著下降，让线粒体蛋白WA352得以成功“躲过”UPS的降解，而在花药中特异性积累，从而精确产生雄性不育。

该研究发现不仅揭示了核基因监控线粒体蛋白积累的全新分子机理，解答了植物CMS蛋白时空特异性发挥生物学功能的科学谜题，还为精准调控CMS育性恢复提供了潜在靶点。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2504381122