Mitochondrial gene orf224 triggers retrograde signaling and reprogramming of anther cell fate in Brassica napus Polima CMS

小孢子 生物 细胞质雄性不育 细胞生物学 雄蕊 重编程 体细胞 线粒体 不育 程序性细胞死亡 线粒体融合 细胞命运测定 异位表达 线粒体DNA 脱落酸 细胞分裂 有丝分裂 线粒体生物发生 核基因 遗传学 基因 逆行信号 基因表达调控 细胞融合 线粒体分裂
作者
Yilei Zhang,Tian Lv,Haiyi Zhao,Xiaofang Qin,Hu Zhou,Jiahui Huang,Yunsheng Li,Xi Zhang,Jing Wen,Yong Yang,Bin Yi,Dongli He
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
标识
DOI:10.1111/nph.71462
摘要

Cytoplasmic male sterility (CMS) is widely used in rapeseed hybrid breeding. The Polima (pol) CMS system is associated with the mitochondrial chimeric gene orf224, yet how it disrupts early anther differentiation and leads to sterility remains unclear. We combined cytological analyses, ultrastructural observations, transcriptomics, proteomics, and metabolomics to examine young anther development in pol CMS, maintainer, and restorer lines, with particular focus on mitochondrial function, metabolism, and hormone homeostasis. In pol CMS, L2-derived anther cells failed to differentiate into the middle layer, tapetum, and microspore mother cells, with development arrested at stage S5. The ORF224 protein preferentially accumulated in young anthers and exhibited cytotoxicity, causing mitochondrial dysfunction, reduced ATP production, and activation of mitochondrial retrograde signaling. These changes induced extensive metabolic reprogramming, including ectopic activation of photosynthesis-like reaction, starch accumulation, elevated ROS, and a pronounced increase in abscisic acid (ABA). Our results demonstrate that pol CMS sterility results from ORF224-mediated mitochondrial stress that reprograms anther cell fate from reproductive to somatic development, with ABA reinforcing developmental arrest, while programmed cell death occurs as a late downstream consequence.
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