随着全球气候变暖的加剧,全球范围内极端气候频发(极端高温、干旱、洪涝、寒流等),对自然环境和人类社会经济发展产生难以估计的影响。其中,农业发展和粮食生产首当其冲,气候骤暖对农业生产的冲击尤为剧烈。在全球变暖的时代背景下,如何有效地保持作物产量的稳定增长、减少因环境剧烈变化带来的粮食减产,以保障未来人口的粮食需求已经成为一个重大议题。构建良性的农业生产体系,加速现代农业发展以应对未来人口的粮食需求既要求我们更加广泛地开发利用自然进化的优势性状,还要求我们结合环境变化利用基因编辑技术针对作物性状进行进一步改良。因此,深入了解植物动态响应环境变化,并保持生长和养分的利用效率的分子机制是应对粮食安全议题的关键。温敏核不育系(TGMS)的利用有效地促进了我国水稻的大幅增产。极端天气(主要是夏季突发的低温阴雨天气)的频发严重影响了利用温敏核不育系制种的效率和纯度,阻碍了“两系”杂交水稻育种的发展。深入解析温敏核不育系响应环境变化、实现育性转换的分子机制将有助于育种专家在分子水平上改良温敏核不育系以应对全球气候变化带来的潜在粮食危机。虽然不同的温敏核不育突变体高温不育、低温可育的分子机制有所报道,但低温作为通用环境因子回复温敏核不育突变体育性的分子机制仍不清楚。近期研究提出,低温通过减缓生长发育的过程使得发育缺陷的花粉存活下来进而使得育性得到恢复。在本课题中,我们以温敏核不育突变体rvms-2为实验材料,进行回复突变体的筛选。我们得到一个回复突变体,命名为res3 rvms-2,该突变体在高温条件(24 ℃)下育性得到了恢复,而rvms-2在高温条件(24 ℃)下完全不育。基因定位表明,RES3是UPEX1/KNS4(At1g33430),编码一类β-(1,3)-半乳糖基转移酶。RES3融合VENUS荧光蛋白标签发现RES3蛋白特异性表达、定位于7～10期的绒毡层细胞。细胞学数据表明RES3/UPEX1的突变使得绒毡层形态肿胀和四分体胼胝质降解延缓。进一步的GFP荧光定位观察实验表明,在res3中A6蛋白自绒毡层细胞至药室腔的分泌过程受到影响,继而导致了四分体胼胝质的降解延迟。这也暗示了RES3/UPEX1可能参与绒毡层分泌功能的行使。在res3 rvms-2中提前表达A6基因导致突变体育性的完全丧失,而A6基因的提前表达几乎不影响野生型植株的育性。此外,A6基因提前表达并不会消除res3 rvms-2中绒毡层的肿胀表型。进一步的遗传学数据证明,A6s基因突变导致的胼胝质延迟降解也能够回复rvms-2的育性。因此,我们认为胼胝质延迟降解是rvms-2育性回复的主要原因。半薄切片和透射切片结果表明,四分体胼胝质壁的延迟降解使得外壁内层缺陷的rvms-2小孢子细胞在四分体时期能够积累更多的孢粉素物质,形成更加完整的外壁内层结构从而存活下来发育成有功能的成熟花粉。除了rvms-2,胼胝质降解延迟也能回复其他温敏突变体(acos5、cyp703a2、abcg26和cals5-2)的育性,说明了胼胝质延迟降解对于温敏突变体育性的回复具有一定的共性。这些温敏不育植株的花粉外壁结构缺陷,后期内壁结构不能形成,使得花粉破裂死亡。胼胝质的延迟降解使得缺陷的外壁内层结构趋于完整,为内壁的形成奠定了基础。内壁的正常形成使得小孢子细胞能够逐渐发育形成成熟的花粉。在拟南芥中,DYT1-TDF1-AMS-MS188-MS1参与调控绒毡层的发育和功能。qRT数据表明,在突变体dyt1,tdf1和ams中RES3的表达量显著下调。EMSA和ChIP实验表明AMS蛋白能够结合于RES3启动子区域。拟南芥原生质体激活实验证明AMS蛋白能够激活RES3的表达。这些结果说明了AMS蛋白直接调控RES3的表达。我们推测,转录因子AMS在调控花粉外壁形成和胼胝质酶(A6s)合成的同时,还调控RES3/UPEX1的合成。RES3/UPEX1对A6s进行糖基化修饰以实现A6s蛋白的快速释放。胼胝质酶(A6s)的精确合成和快速分泌使得四分体胼胝质壁快速降解,花粉外壁得以继续发育为成熟的花粉壁结构。综上所述,我们的研究结果揭示了胼胝质的延迟降解能够广泛地回复温敏核不育突变体育性的机制,为深入解析低温恢复温敏核不育突变体育性的通用机制提供了一些新的研究角度。同时,我们提出了AMS可能调控绒毡层细胞的分泌功能,对进一步阐明绒毡层转录调控通路DYT1-TDF1-AMS-MS188-MS1在花粉发育过程中的作用具有重要意义。