新型甘藍型油菜細胞質雄性不育材料SaNa-1A不育的分子機理

《新型甘藍型油菜細胞質雄性不育材料SaNa-1A不育的分子機理》是依託揚州大學，由王幼平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型甘藍型油菜細胞質雄性不育材料SaNa-1A不育的分子機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王幼平
• 依託單位：揚州大學

項目摘要

細胞質雄性不育是油菜雜種優勢利用的重要途徑。目前我國油菜雜交種生產主要使用pol CMS和Shan2A CMS，長期使用同一不育胞質存在潛在的風險。本項目選用甘藍型油菜與白芥體細胞雜種回交後代中選育出的不育性穩定的雄性不育系SaNa-1A和保持系SaNa-1B為實驗材料，線上粒體全基因組測序和Southern雜交獲得候選不育基因（orf122）的基礎上，構建該不育基因花葯特異性表達載體，通過轉化常規油菜品種，驗證該不育基因的功能。通過電鏡觀察、生理和生化分析，結合轉錄組分析和不育基因的原核表達，深入研究該不育基因對花葯發育過程中能量代謝、基因表達模式、線粒體的結構和膜透性等的影響，從而解析不育基因orf122導致花粉敗育的分子機理。通過本項目的實施，既豐富了我國油菜不育胞質的遺傳資源，又為進一步開發和利用該細胞質雄性不育材料提供理論依據，因此，該研究具有重要的理論意義和套用價值。

結題摘要

雜種優勢的利用是提高油菜產量的重要手段，細胞質雄性不育作為理想的授粉控制系統之一，為油菜增產作出了巨大的貢獻。我們前期通過電融合的方法獲得了白芥（Sinapis alba）和甘藍型油菜（Brassica napu）體細胞雜種，在和甘藍型油菜品種‘揚油6號’連續回交後代中選育出穩定的細胞質雄性不育系SaNa-1A及其保持系SaNa-1B。 通過對不育系和保持系花器官形態學的觀察發現，不育系雄性生殖器官花葯短小、乾癟，表面無明顯的花粉附著現象，花瓣皺褶。半薄切片觀察發現，SaNa-1A CMS絨氈層未及時發生降解，小孢子彼此粘連在一起形成團狀結構，被未發生降解的絨氈層細胞緊緊包裹著，並將其擠向藥室中央，最終導致無成熟花粉粒的形成。超薄切片的研究表明，SaNa-1A CMS花葯的發育在花粉母細胞時期就顯現出缺陷，如細胞、核仁的體積明顯較小，液泡化程度高，內質網、線粒體等細胞器結構發生異常。再加之不育系絨氈層之後又出現發育緩慢和降解延遲的現象，最終導致小孢子內含物全部消失，無成熟花粉的形成。生理生化和TUNEL分析表明，不育系在花粉母細胞時期，就出現了ROS積累的增加，而抗氧化酶系統功能又出現障礙，使MDA不斷積累。同時，不育系花葯線粒體的能量代謝顯示出明顯的缺陷，並進一步破壞ROS平衡，加之脯氨酸等物質的匱乏，共同抑制了小孢子的發育。而不育系小孢子PCD的發生和ROS的積累在時間上是平行的，絨氈層PCD的異常也進一步驗證了細胞學研究的結果。因此，我們認為長期高於正常生理水平的氧化脅迫和線粒體功能障礙是造成不育系敗育的重要因素。同時，我們套用RNA-Seq技術又對兩系花葯發育的關鍵時期（四分體時期）進行了轉錄組學的比較。對DEGs的進一步研究發現不育系很多涉及線粒體電子傳遞、氧化磷酸化、TCA循環等過程的基因下調錶達，繼而又引起調控花葯發育的核基因表達量的變化，使花葯出現敗育的表型，尤其是ATP6、ATP9基因在不育系中的不表達，並結合生理指標的分析，我們推斷線粒體能量代謝的障礙是不育系敗育的直接原因。