程祝宽研究组首次揭示氮营养与植物减数分裂起始的重要联系

减数分裂是有性生殖生物配子产生和世代交替的核心事件。减数分裂起始是细胞有丝分裂向减数分裂的转变，标志着生物体从营养生长向生殖生长的转变。氮素是植物必需的大量元素，是植物生长发育和农作物产量形成的重要限制因子。氮缺陷往往会导致植物育性降低，但对其分子机制却知之甚少。

中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组利用图位克隆技术，在水稻中鉴定到一个新的减数分裂起始调控基因ETFβ。其编码一个线粒体定位的电子转运黄素蛋白β亚基，参与支链氨基酸的代谢。ETFβ结合电子并将电子转运给下游的辅酶Q氧化还原酶ETFQO，推动氧化磷酸化，参与机体供能。etfβ突变体中，减数分裂表现出明显的氮素依赖。在低氮胁迫下，etfβ无法起始减数分裂，导致雌配子和雄配子的不育。在氮素营养充足条件下，etfβ可以完成减数分裂，恢复其雌雄育性。通过穗部器官的代谢组和含氮总量的协同分析，发现低氮胁迫发生时，etfβ中支链氨基酸不能被正常代谢，并大量积累。花器官中氮素严重缺乏，而导致不育。在外源氮营养充足的环境下，突变体避免大幅度分解体内蛋白质，用于氮素再利用。花器官的氮需求可通过外源氮素补给得以满足，从而维持突变体的正常育性。相关研究揭示ETFβ通过参与支链氨基酸的代谢，促进体内氮素再利用，为花器官的营养需求提供保障。研究结果为解析植物如何在贫瘠的土壤环境中，维持必要的育性提供了理论支撑。

该研究于2022年1月25日在Nature Communications杂志上在线发表。程祝宽研究组博士研究生杨晗和副研究员李亚飞为该文章的共同第一作者，程祝宽研究员为该文章的通讯作者。该研究得到中国科学院A类先导专项的资助。

图：ETFβ的作用模型