大豆是世界上最具经济和社会影响力的作物之一，在全球范围内为动物提供蛋白质并且占据极大的比重，同时在石油生产、制造和生物燃料应用中发挥关键作用。据2022年统计，美国种植了3490万公顷大豆，是仅次于玉米的第二大种植作物。鉴于大豆对全球农业的重要性，大豆品种的改良可以产生变革性影响，可以使农民在现有土地上基础生产更高的产量来促进可持续农业。近日，美国康奈尔研究人员在Plant Biotechnology Journal在线发表了“Introduction of barnase/barstar in soybean produces a rescuable male sterility system for hybrid breeding”。通过将大豆花药中特异性表达的启动子表达细胞毒性核糖核酸酶barnase能够完全阻止花粉成熟，从而产生雄性不育材料。其F1代与表达barnase抑制剂的barstar材料花粉杂交时，可恢复其生育能力。这项工作证明了基于barnase/barstar的雄性不育/恢复系统可用于生产大豆杂交种并产生可育的杂交后代。
杂交优势是指后代表现优于父母的现象，一个多世纪以来一直用于提高作物产量、提高非生物和生物胁迫耐受性并提高种子的营养质量的重要手段。通过费力的手工杂交技术制成的大豆杂交种相对于近亲亲本的产量可以提高10%-20%。但由于生产大豆杂交种具有挑战性，这些试验仅限于少数基因型组合，因此通过优势提高产量的潜力远未耗尽。为了获得杂交育种的好处，高产和市售杂交大豆种子的生产必须高效、低廉，并与现有农业实践兼容。常用的的一种方法是使用雄性不育（male sterility MS）阻止自交。核雄性不育 （nuclear male sterility NMS）、细胞质雄性不育 （cytoplasmic male sterility CMS） 和光周期/温度敏感基因雄性不育系统与生育恢复基因的结合在大豆杂交种的小规模试验中产生了有希望的结果。然而，这些系统存在多种缺点，使其几乎不适用于商业杂交大豆育种应用。例如，三系育种系统需要维持系，导致近亲繁殖CMS系的遗传多样性低，并且在光周期/温度敏感的雄性不育系统的情况下需要限制性生长条件。最重要的是，这些雄性不育系中在阻止自交方面并非100%有效，并且往往无法在F1世代中表现出对生育能力的完全恢复，这使得这些现有的杂交育种解决方案在商业上不可行。NMS和CMS的替代方案是barnase和barstar的组合，即一种双组分系统，其中通过在不同材料中的绒毡层特异性表达细胞毒性核糖核酸酶Barnase和其抑制剂Barstar。TA29启动子常被选择用于诱导雄性不育。TA29驱动的barnase在绒毡层中的靶向表达破坏了该细胞层，导致雄性花粉不育。通过将表达barnase的植物与携带核糖核酸酶抑制剂barstar的绒毡层特异性表达的转基因的花粉杂交，其后代恢复生育能力。这种方法已被用于为多种作物中并创建杂交育种系统。为鉴定不同启动子对核糖核酸酶抑制剂barstar启动效率对大豆生育恢复的影响，研究人员比较了GmTA29a和GmTA29b启动子，如图1所示。GmTA29b启动的barnase即可实现雄性不育，如图2所示。
