Nsa CMS不育基因的鉴定及败育机理解析

• 作 者: 桑世飞
• 机 构: 华中农业大学
• 出 处: 华中农业大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 甘蓝型油菜

细胞质雄性不育作为农作物杂种优势利用的主要途径之一，在农业生产中发挥重要作用。目前国内油菜细胞质雄性不育类型单一，提高油菜产量、解决胞质利用单一性问题至关重要。NsaCMS与当前的NapCMS、OguCMS、PolCMS、TourCMS系统均不相同，是一个具有我国自主知识产权的新型异源细胞质雄性不育系。NsaCMS雄性败育彻底、不育性稳定，目前已实现三系配套，有望利用该系统组配出优良的杂交组合，具有较大的育种应用潜力。然而，目前该不育系统的不育基因及败育机理依旧不明确。本研究通过全基因组测序，分析比对NsaCMS不育系、保持系和野芥的线粒体基因组，鉴定获得特异的开放阅读框(ORFs)，利用遗传转化、亚细胞定位进一步验证NsaCMS的不育基因及其功能；并通过对NsaCMS的细胞学观察、活性氧、能量代谢、转录组分析等实验揭示NsaCMS的败育机理。本研究取得的主要结果如下：
　　1.表型与细胞学观察表明NsaCMS与PolCMS和OguCMS的败育特点不同，败育彻底、花药退化早。半薄切片观察表明NsaCMS花粉在发育至四分体时期绒毡层厚度变薄，有降解痕迹，表现出明显的败育迹象，在四分体阶段不能够形成正常的小孢子最终导致花粉败育。
　　2.NsaCMS线粒体基因组分析表明其线粒体基因组主要来源于野芥，16个基因序列在NsaCMS、中双4号、野芥三个材料中完全一致，13个基因的序列同野芥完全一致，5个基因同中双4号一致。通过不育系与保持系线粒体基因组比对，鉴定到11个不育系特异、具有跨膜结构域的开放阅读框，可能与NsaCMS不育相关。
　　3.对11个候选不育基因分析表明，候选不育基因orf346在恢复系材料中的表达明显被抑制最为显著，Northernblot实验表明orf346在不育系中存在特异的杂交条带，并证实其同nad3和rps12存在共转录现象。通过遗传转化进一步证实orf346是导致甘蓝型油菜NsaCMS花粉败育的原因。
　　4.对orf346基因功能研究表明，其可以抑制细胞能量的生成和活性氧的升高，亚细胞定位于线粒体内膜，线粒体功能基因表达量分析表明，涉及呼吸呼吸链的nad1、nad2、nad5、nad6、cox1、cox2-2、cobF等基因在败育发生的关键S1时期显著或者极显著下调表达。结果表明orf346基因表达产物可能是在线粒体内膜通过抑制线粒体部分功能基因的表达发挥功能的。
　　5.转录组测序结果表明，差异的代谢通路基因富集在淀粉和蔗糖代谢、能量生成和转换、活性氧、激素信号转导途径。而且不育系、保持系激素测定发现ABA、SA、IAA三种激素含量均有改变。这些结果表明NsaCMS的败育可能同激素、能量、活性氧有关联。
　　6.根据orf346基因的序列开发了一对特异性标记并在收集的24份材料中进行了检测，结果显示仅有野芥不育系及其对应的恢复系NR1能够扩增出orf346基因目的条带，其余种质资源或者品种均没有扩增出该目的条带，该标记能够对含有NsaCMS胞质的材料进行鉴定。
　　综合当前研究结果，不育基因orf346在体细胞重组过程中被整合进入甘蓝型油菜线粒体基因组中。不育基因表达产物通过干扰电子传递链，引起细胞能量和活性氧、激素的改变以及下游花粉发育关键基因的下调表达最终导致NsaCMS败育的发生。