华中农业大学柴利军课题组发现GLOX3参与柑橘自交不亲和反应

近日，华中农业大学园艺林学学院/果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室邓秀新院士团队柴利军教授课题组在Plant Physiology发表了题为GLOX3is involved in pollen tube growth and potentially mediates self-incompatibility in Citrus的论文，首次报道乙二醛氧化酶基因GLOX3（Glyoxal oxidase 3）参与柑橘自交不亲和反应，揭示其作为一种新的非S因子，通过参与氧化还原代谢、调控花粉管生长，在S-RNase介导的自交不亲和反应过程中发挥重要作用，为解析柑橘自交不亲和分子机制提供了新的研究视角。

自交不亲和（Self-incompatibility，SI）是开花植物防止自花授粉、促进异花授粉的重要遗传机制，在维持物种遗传多样性和推动进化中发挥关键作用。柴利军教授课题组前期研究首次证实芸香科植物具有由S-RNase介导的配子体自交不亲和（Gametophytic Self-incompatibility，GSI）系统，其中雌蕊中的S-RNase与花粉中的S位点决定因子SLF共同决定花粉能否继续生长（Nature Plants，2020；Journal of Experimental Botany，2024 封面）。然而，目前对于有哪些非S位点因子参与这一过程，仍缺乏深入认识。因此，发掘参与S-RNase下游调控的新型非S因子，对于完善柑橘自交不亲和分子调控网络具有重要的科学意义。

研究团队首先利用酵母双杂交筛选S-RNase互作蛋白，鉴定到一个非S因子CgGLOX3。GLOX（Glyoxal oxidase）是一类参与甲基乙二醛（MG）代谢和氧化还原稳态调控的铜依赖氧化酶，但其在植物自交不亲和中的功能尚未有报道。为明确CgGLOX3的生物学功能，研究人员首先对柚基因组中的GLOX家族进行了系统鉴定，共发现10个GLOX成员。系统发育分析和共线性分析表明，GLOX3在不同柑橘物种中具有较高的保守性，其所在染色体区域维持着稳定的共线性关系，说明该基因在柑橘进化过程中受到了较强的保守选择压力。

进一步研究发现，CgGLOX3在柚中主要表达于花药和花粉管，在自交不亲和反应过程中表达显著上调。为进一步验证CgGLOX3与S-RNase之间的关系，研究团队开展了亚细胞定位、荧光素酶互补及Pull-down等实验。结果显示，CgGLOX3定位于细胞质和细胞核，与S-RNase具有相同的亚细胞分布模式，为两者发生互作提供了空间基础。LUC和Pull-down实验进一步证实，CgGLOX3能够与多个不同S位点的S-RNase发生稳定互作，而与柑橘中组成型表达的类RNase蛋白CgSL2不存在互作关系，说明CgGLOX3并非广泛地与RNase家族蛋白结合，而是能够特异识别控制自交不亲和花柱决定因子S-RNase。结合山金柑（Fortunella hindsii）授粉后的转录组分析发现，自交不亲和过程中大量差异表达基因富集于氧化还原代谢、谷胱甘肽代谢及胁迫响应等通路，其中GLOX3在花粉管停止生长阶段显著诱导表达。最后，通过反义寡核苷酸抑制CgGLOX3表达后，花粉管伸长受到显著抑制，证明GLOX3对花粉管正常生长具有重要作用。研究提出CgGLOX3作为柑橘自交不亲和反应中的新型非S因子，可能通过参与甲基乙二醛代谢及细胞氧化还原调控，参与S-RNase介导自交不亲和反应中花粉管生长抑制过程，而非直接影响S-RNase酶活性来发挥作用。

GLOX3 参与柑橘自交不亲和反应

华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室柴利军教授为论文通讯作者，博士生刘聪为论文第一作者；华中农业大学邓秀新院士、Robert M. Larkin教授、谢宗周研究员及叶俊丽副研究员对实验和论文提供了重要指导；英国阿伯里斯特威斯大学Maurice Bosch教授对论文提供了重要修改意见。该研究工作得到了国家自然科学基金、教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目、中央高校基本科研业务费专项资金、国家现代农业产业技术体系的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag519