小麦生理型雄性不育花药中能量相关基因的表达

为揭示小麦(Triticum aestivum L.)生理型雄性不育机理,以化学杂交剂SQ-1为诱导剂,构建了普通小麦西农1376不育和可育生理系,用RT-PCR技术分析了3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)和NFUDP4基因在不同发育时期的不育和可育花药中的表达差异.结果表明,与同期对照相比,GAPDH和NFUDP4基因在不育花药单核期到三核期均下调表达,其中在大量花粉粒败育的单核期,GAPDH下调表达尤为显著.因此,小麦生理型雄性不育花药败育过程中,一方面由于GAPDH基因表达受抑制,使糖酵解受阻导致能量供应不足;另一方面,NFUDP4基因下调表达,可能引起线粒体某一Fe-S族蛋白装配需要的分子骨架减少而使其数量不足,从而可能引起Fe-S族蛋白参与的生化反应减弱,如呼吸链电子传递受阻引起能量供应不足,与小麦生理型雄性不育具有一定关系.     

小麦粘类CMS育性恢复基因的SSR分子标记与定位

利用SSR技术,对小麦粘类CMS（细胞质雄性不育）的1对近等基因系（NILs）和回交群体（BC₁'）进行分析,筛选与粘类CMS育性恢复基因相连锁的分子标记并进行恢复基因定位,以进一步探讨小麦粘类CMS育性恢复的遗传机理。结果表明：在18对位于1BS上的SSR引物中,有6对引物在近等基因系间扩增出了稳定的多态性差异;经分离群体验证表明,恢复基因与4对SSR引物的扩增位点Xwmc406、Xbarc8、Xwmc611和Xgwm273有连锁关系,遗传距离分别为2.7、2.8、21.4和26.2cM,这些标记可稳定应用于小麦粘类CMS育性恢复基因的辅助选择;研究还表明,小麦粘类雄性不育系的育性恢复主要受1BS上的1对主效恢复基因及一些微效基因共同控制;本研究标记出的恢复基因应为Rfv1;上述4个标记与该主效恢复基因Rfv1之间的位置顺序依次为Xwmc406、Rfv1、Xbarc8、Xwmc611、Xgwm273。     

小麦丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)的互作蛋白增殖细胞核抗原(TaPCNA)对小孢子发育周期的调节

目前对于植物体中丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK)的研究,除了解其参与调节线粒体丙酮酸脱氢酶复合体的活性外,对其他调控机制尚不清楚.本实验室的前期研究结果表明,小麦丙酮酸脱氢酶激酶(TaPDK)在小麦(Triticum aestivum)遗传型不育系和相应的生理型不育系中的表达是不一致的.为进一步研究SQ-1诱导的小麦花药败育过程中调控TaPDK的作用因子,本研究采用酵母双杂交方法筛选小麦TaPDK的互作蛋白.将含有pGBKT7-PDK质粒的酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株Y2HGold与文库酵母菌株Y187共同融合培养,在SD/-Ade/-His/-Leu/-Trp平板上划线培养,挑选直径大于2mm的克隆,在SD/-Ade/-His/-Leu/-Trp/AbA/X-α-Gal平板上划线,筛选蓝色克隆.其中,筛选得到一个新的结合蛋白,该蛋白被命名为增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,TaPCNA).将花粉细胞的核复制分裂与TaPCNA的定量表达结合分析发现,TaPCNA在不育系与可育系的叶片中几乎不表达,但在花粉发育的各个时期中呈现高表达,尤其在生理型不育系花药中的表达量显著高于遗传型不育系和可育系,这表明在生理型不育系中,TaPCNA与小孢子的细胞周期发育更加密切相关.这为进一步研究生理型不育小孢子异常发育的细胞周期提供了基础资料.     

小麦生理型与遗传型雄性不育相关基因锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)及果糖1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)的表达分析

锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)是一种重要的抗氧化剂,果糖1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)是叶绿体光合碳化阶段起重要调节作用的关键酶.本研究以小麦(Triticum aestivum L.)生理型与遗传型等基因雄性不育系及其对应育性正常的保持系为材料,选取花粉小孢子发育各时期的花药及三核期子房,对供试材料花药全蛋白表达差异研究的基础上,对雄性不育相关基因(Mn-SOD)及FBA进行核酸水平的实时荧光定量PCR分析,结果发现,与可育保持系相比,(1)生理型雄性不育系Mn-SOD基因在幼穗期、单核期和三核期表达量显著下调,而酶活力在幼穗期上调,在单核期下调;遗传型雄性不育系Mn-SOD基因在幼穗期和单核期表达量下调,酶活力在幼穗期上调,在二核期下调.(2)生理型雄性不育系和遗传型雄性不育系FBA基因表达量在幼穗期和单核期均下调,而对应同时期的FBA酶活力也下调,而遗传型不育系FBA基因在三核期表达量和FBA酶活力均上调.(3)Mn-SOD和FBA在遗传型雄性不育系三核期子房和花药中表达量均高于生理型雄性不育系和正常可育系,而在生理型雄性不育系花药中,Mn-SOD表达量明显低于对照可育系,在子房中其表达量略高于正常可育系.基因表达具有组织特异性,其蛋白表达较基因表达具有一定滞后性.Mn-SOD基因过量表达(单核至二核期),从而清除花药代谢紊乱产生的过多的活性氧,维持细胞正常功能;而花粉败育(生理型和遗传型雄性不育)导致花药失去活力,从而使花药叶绿体光合能力下降,FBA下调表达.研究结果提示,不同发育时期FBA及Mn-SOD酶活力变化与基因表达水平相一致,且这两个指标的变化直接或间接的影响了小麦花药的育性程度.     

黏类小麦育性相关基因SSH文库的构建

为了深入研究黏类小麦雄性不育的分子遗传机制, 利用抑制差减杂交技术构建了黏类小麦育性相关基因的cDNA文库。文库质量检测表明, 差减杂交效率较高, 质量较好。在不育和可育cDNA文库中随机挑选120个阳性克隆进行测序, 获得100余条高质量的表达序列标签(EST)。对序列进行BLAST比对及功能注释, 比较了不育和可育cDNA文库的基因表达谱, 发现在可育cDNA文库中参与能量代谢的基因出现频率较高, 在不育cDNA文库中检测到了与花发育调控相关的MADS-box转录因子、细胞凋亡相关的泛素结合酶及阻遏淀粉合成的腺苷二磷酸葡萄糖磷酸化酶等相关基因。这些基因很可能与育性相关。     

几类同核异质雄性不育小麦线粒体DNA的RAPD标记多态性

为了明确不同细胞质来源的小麦不育系mtDNA的差异,对具有相同核背景而细胞质分别来源于偏凸山羊草(Ae.ventricosa)、易变山羊草(Ae.Variabilis)、提莫菲维小麦(T.timopheevi)的 3 种小麦细胞质雄性不育系,采用 50条随机引物对其细胞质线粒体DNA(mtDNA)进行了RAPD 多态性分析,筛选出3条特异性引物,其中引物S22 在ms(Ae.ventricosa)90110中扩增出分子量约为1 500 bp 的特异带,引物OPAA16在ms(T.timopheevi)90110中扩增出分子量约为1 200 bp的特异带,引物OPA05在ms(Ae.variabilis)90110中扩增出分子量约为670 bp的特异条带。分析表明,3类不同细胞质的小麦不育系在线粒体DNA上表现出稳定的差异,为进一步在分子基础上鉴别这3类不育胞质源不育系奠定了基础。     

杀雄剂SQ 1诱导的小麦生理型雄性不育系交替氧化酶基因(AOX1)的表达分析

为了揭示小麦生理型雄性不育败育过程与交替氧化酶（AOX1）基因表达的关系,利用荧光定量技术分析了小麦交替氧化酶基因家族AOX1基因（AOX1a和AOX1c）在K型遗传型不育系[ms（Kots）-90-110]、K型不育系和恢复系杂交后经多代回交选育的可育系（BC5F1）以及杀雄剂SQ-1诱导的BC5F1小麦生理型雄性不育系的旗叶和花药（单核期、二核期、三核期）中的表达情况。结果表明,AOX1a基因在供试可育系（BC5F1）和遗传型不育系[ms（Kots）-90-110]中的表达规律一致,都表现为旗叶中的表达量较少,花药单核期表达量最高,二核期和三核期表达量下降;SQ-1诱导的生理型不育系中AOX1a基因在旗叶中表达量也最少,花药单核期表达量最高,二核期表达量减少,但三核期略呈上升;与其他2个材料相比较,生理型不育系的单核期AOX1a基因的表达量极显著增加,二核期极显著降低。AOX1c基因在3个材料各时期的表达规律一致,都表现为先升后降;但在表达量上,可育系与生理型不育系各时期的表达量两者几乎没有差异,遗传型不育系中的单核期表达量极显著低于可育系和生理型不育系。推测,AOX1a基因在生理型不育系单核期和二核期的异常表达,可能影响了花药发育过程中抗氰呼吸途径,导致呼吸代谢紊乱,引起花药败育;AOX1c基因没有参与生理型不育的代谢调节。     

小麦生理型和遗传型雄性不育系及其保持系小花完整叶绿体蛋白质组分比较研究

采用固相pH梯度SDS聚丙烯酰胺双向凝胶电泳技术,以小麦遗传型雄性不育系ms(S)-1376、杀雄剂SQ-1诱导的生理型雄性不育系ms(A)-1376,以及对应的保持系(A)-1376 (杀雄剂诱导前的正常可育系)所构建的等基因和等生理差异系为试材,比较分析了2种分离纯化完整叶绿体的方法。在确立了一套适用的技术方法的基础上,研究了三者在花粉小孢子萌发单核早期小花完整叶绿体蛋白之间的差异。采用30%、45%和60%的不连续蔗糖密度梯度离心的方法能够获得完整且纯度较高的叶绿体,经TCA-丙酮提取蛋白质后,PDQuest软件分析,在分子量14.4~66.2 kD,等电点4~7的线性范围内可分辨出2-DE图谱上239个较为清晰的蛋白质点,对其中的6个差异表达蛋白质点进行MALDI-TOF肽质量指纹图谱分析,从生物信息学数据库检索鉴定出6个差异蛋白质点分别是酰基辅酶A脱氢酶结构域蛋白、钙调结合蛋白磷酸酶、多催化功能肽酶、热休克蛋白60、光受体蛋白2及1个未知功能的表达蛋白质。这些蛋白质在供试小麦叶绿体物质能量代谢、叶绿体防卫抵御机制、叶绿体细胞内信号转导及植物极性生长等生理应答反应中起调控作用,它们能在本研究供试两不育系和对应可育系中差异表达,可能与雄性不育相关。     

黏类小麦细胞质雄性不育系mtDNA消减文库的构建

本研究利用抑制性消减杂交技术,构建了黏类小麦细胞质雄性不育线粒体DNA的消减文库。分别提取相同细胞质背景下的不育和可育等基因系线粒体基因组DNA(mtDNA),用RsaⅠ酶切成大小不等的片段,并各自与不同的接头连接,连续经过两次消减杂交和两次PCR扩增,将PCR产物与克隆载体连接,转化为大肠杆菌感受态细胞DH5α,经蓝白斑筛选后,再用PCR方法插入片段筛选出阳性重组质粒,构建差异DNA消减文库。在构建的不育mtDNA文库中,将SSH文库的全部扩增产物与SSH文库中的单条扩增条带分别进行胶回收和克隆转化,分别挑取54个和6个阳性克隆进行测序分析和相关功能初步比对。结果表明,不育mtDNA的SSH文库差减杂交效率较高,质量较好;回收单条扩增条带分别进行克隆测序的结果准确率较高;对测序序列进行BLASTx比对及功能注释分析发现,约90%的序列来源于线粒体基因nad1和nad5的非编码区。     

GAPDH基因表达与小麦生理型雄性不育花药败育的关系

为分析三磷酸-甘油醛脱氢酶(GAPDH)基因与小麦(Triticum aestivum)生理型雄性不育花药败育的关系,本研究以新型小麦化学杀雄剂SQ-1作为诱导剂,普通小麦西农1376为材料,构建了西农1376不育和可育等生理系;采用半定量逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)技术分析了不育和可育等生理系不同发育时期花药中GAPDH基因的表达模式.结果表明,该基因在正常小麦花粉发育的单核期、二核期和三核期,表达丰度比较一致,没有明显变化,但在化学杀雄剂SQ-1诱导的生理型雄性不育花药中,不同发育期表达量存在显著差异,单核期表达最弱,二核期最高.与同期正常花药相比,GAPDH基因在生理型雄性不育花药三个发育期均呈下调表达,其中在大量花粉粒败育的单核期,表达量下调最显著,其次为三核期和二核期,证明化学杀雄剂SQ-1对GAPDH基因的表达具有明显抑制作用.因此,化学杀雄剂SQ-1诱导小麦生理型雄性不育形成过程中,可能与GAPDH基因表达减少导致细胞中能量供给不足有一定关系.