近日，广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室覃宝祥副研究员团队在水稻雄性生殖发育机制研究中取得重要进展，相关成果以”The cysteine protease PAI1 acts as a quantitative metabolic coordinator of amino acid flux for pollen maturation and anther dehiscence in rice” 为题，在线发表于国际植物学权威期刊Plant Physiology。该研究鉴定到一个新型半胱氨酸蛋白酶编码基因PAI1（Pollen‑Anther Integrator 1），揭示出一类区别于传统细胞程序性死亡执行因子的代谢协调蛋白，为解析水稻部分雄性不育、花粉活力波动提供全新认知。
水稻花粉成熟与花药开裂同步协调，是保障水稻正常结实的关键基础。过去研究普遍认为，花药半胱氨酸蛋白酶主要作为绒毡层细胞程序性死亡（PCD）的 “开关式” 执行蛋白，一旦功能缺失就会造成绒毡层降解完全受阻，植株彻底雄性不育。然而生产与研究中经常观察到部分雄性不育现象：花粉并非全部败育，仍保留一定比例结实能力，这类部分不育的分子机理尚不清晰。
本研究利用 CRISPR‑Cas9 基因编辑技术，在粳稻中花 11 背景创制pai1敲除突变体，并通过遗传回补实验确认基因功能。与经典半胱氨酸蛋白酶突变体oscp1的完全雄性不育表型不同，pai1 突变体表现部分雄性不育：约 50% 花粉发生败育、花药开裂受阻，结实率下降约 75%，但仍保留约 25% 的结实率。细胞学观察证实，pai1突变体绒毡层 PCD 过程并未阻断；存活花粉本身体外萌发能力正常，结实下降主要源于花药开裂不足，柱头捕获花粉数量显著降低。
蛋白亚细胞定位结果表明，PAI1 定位于内质网与细胞膜，区别于仅定位于内质网的同源蛋白 OsCP1，这是二者功能分化的重要结构基础。体外酶活实验证实 PAI1 具备半胱氨酸蛋白酶水解活性，受特异性抑制剂 E‑64 抑制。PAI1 在花药发育 9‑10 期高丰度表达，在绒毡层、药室内壁、小孢子中均有表达，恰好对应花粉成熟、花药细胞壁木质化的关键窗口期。
结合代谢组、转录组开展系统解析发现，pai1突变体花药在 10‑11 期出现显著代谢紊乱：蛋白来源、芳香族氨基酸选择性耗竭，机体虽启动氨基酸从头合成代偿通路，但不足以弥补水解来源的氨基酸供给缺口；同时花药出现氧化还原稳态失衡。氨基酸供给不足进一步下调苯丙烷生物合成、脂肪酸代谢通路，造成药室内壁纤维素、木质素积累不足，花药机械开裂缺陷；同时花粉外壁、内壁、花粉包被层结构畸形，最终引发小孢子败育。
上游调控机制解析显示，转录因子TDR、bHLH142、AIP1能够直接结合 PAI1 启动子上重叠的 G‑box/ABRE 顺式作用元件，激活 PAI1 基因转录；TDR‑bHLH142 与 AIP1 通过两条独立通路共同调控 PAI1。
针对突变体依然保留 25% 残余育性的现象，研究揭示双重代偿机制：一方面突变体内启动转录反馈上调，试图恢复下游通路活性，但代偿效应不完全；另一方面水稻基因组存在 8 个 在花序高表达的PAI1 家族同源基因，家族蛋白功能冗余维持最低限度蛋白酶活性，是残余育性的物质基础，而近缘基因OsCP1并非主要代偿因子。
据此研究团队提出工作模型：在野生型花药中，TDR/bHLH142/AIP1 激活 PAI1 表达；定位于内质网‑细胞膜的 PAI1 通过蛋白水解产生游离氨基酸库，同时供给两条并行发育进程 —— 药室内壁木质化（保障花药开裂）与花粉壁孢粉素合成（保障花粉成熟）；PAI1 功能丧失则氨基酸供给不足，引发细胞壁与花粉壁发育缺陷，造成部分花粉败育、花药开裂障碍。
该研究拓宽了对植物半胱氨酸蛋白酶功能的传统认知：PAI1 不主导 PCD 的开关执行，而是作为“定量代谢协调器”，通过调控氨基酸物质通量，平衡花药内部多重发育进程。该成果为理解作物部分雄性不育、花粉活力波动提供新的理论视角，也为水稻分子育种提供候选基因资源。
广西大学农学院2026级博士研究生田景非、广西农业科学院水稻研究所何娟（课题组已毕业硕士）、广西大学生命科学与技术学院博士后徐一博、广西大学农学院青年教师鲍金林为论文共同第一作者，广西大学农学院覃宝祥副研究员为论文通讯作者。特别鸣谢华南农业大学周海教授及黄震博士在本研究开展过程中提供的支持与指导。本研究得到国家自然科学基金（32372023）、广西科技攻关项目（桂科 AD25069107）、中央引导地方科技发展资金项目（ZY23055028）以及广西自然科学基金（2019GXNSFDA185009）的共同资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag638
编辑 | 韦星璇
一审一校 | 黄婧
二审二校 | 王邕
三审三校 | 张积森
