小麦转录因子TaMYB5 like转录自激活能力及其参与生理型花粉败育过程表达模式研究

化学杂交剂SQ-1诱导的小麦花粉败育是一个复杂的生理代谢过程，TaMYB5-like被发现参与此过程。为了解TaMYB5-like基因在SQ-1诱导小麦生理型花粉败育过程中的作用，以SQ-1诱导的小麦生理型雄性不育系PHYMS-1376和对照可育系CK-1376四分体、单核早期、单核晚期、二核期和三核期花药为试验材料，克隆TaMYB5-like基因，并对其进行序列结构、生物信息学、表达模式、亚细胞定位及转录自激活效应分析。结果发现，TaMYB5-like基因序列长5 207 bp，其cDNA长为1 133 bp，其中CDS序列长819 bp，编码272个氨基酸，含有2个SANT结构域，分子量为29.36 kDa，无信号肽，无跨膜结构，亚细胞定位在细胞核内；TaMYB5-like基因启动子涉及光响应、逆境胁迫响应、茉莉酸甲酯响应等顺式作用元件。自激活效应发现，TaMYB5-like蛋白的自激活区段位于N端，合适浓度的AbA和3-AT可以抑制BD-TaMYB5-like和BD-TaMYB5-like-N-SANT融合蛋白的自激活性；随着蛋白质氨基酸序列的截断，自激活性呈降低趋势。与CK-1376相比，PHYMS-1376四分体和单核早期花药中TaMYB5-like表达量差异不显著；花药发育到单核晚期、二核期和三核期时，TaMYB5-like表达量显著增加；CK-1376和PHYMS-1376三核期时花药内TaMYB5-like表达量均最高。     

小麦 TaWRKY51基因的克隆及其参与SQ-1诱导小麦花粉败育过程的表达模式研究

为进一步深入解析化学杂交剂SQ-1诱导小麦花粉败育的机理,本研究从SQ-1诱导的生理型雄性不育系PHYMS-1376及其对照可育系CK-1376各时期花药转录组测序筛选出差异表达基因TraesCS1D02G362900.1,与小麦基因组数据库比对发现,该基因编码的氨基酸与 TaWRKY51同源度为97%,说明该差异表达基因为 TaWRKY51对其进行生物信息学分析、亚细胞定位、转录激活活性与花药表达模式研究,结果表明, TaWRKY51开放阅读框全长663 bp,可编码220个氨基酸,含有WRKY结构域和锌指结构,分子量约为23.34 kD,等电点为6.42;启动子区包含与光响应、茉莉酸甲酯响应、脱落酸响应等7类顺式作用元件,且TaWRKY51蛋白被定位在细胞核内,具有一定的转录激活活性;与CK-1376相比,PHYMS-1376植株花药中 TaWRKY51的表达量在5个发育时期均高于CK-1376,且在四分体时期、单核晚期、二核期和三核期与CK-1376的差异均达极显著水平,表明该基因与PHYMS-1376花粉败育密切相关。     

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。     

赤霉素与小麦生理型雄性不育的关系

为探究赤霉素与小麦生理型雄性不育的关系,以新型小麦化学杀雄剂SQ-1作为诱导剂,西农1376为材料,构建了西农1376不育和可育生理系,通过扫描电镜、荧光定量PCR、气相质谱等技术,研究了小孢子花粉形态、TaGAMYB和CYP709C1基因表达、硬脂酸和赤霉素含量和花粉育性。结果表明,化学杀雄剂SQ-1诱导的生理型雄性不育系花粉粒畸形,TaGAMYB和CYP709C1基因表达量显著下降,硬脂酸含量显著上升,赤霉素含量显著低于可育系。赤霉素对雄性不育系的育性有一定逆转效应。     

遗传型与生理型雄性不育小麦花药和旗叶蛋白质的比较研究

为了研究小麦遗传型和生理型雄性不育在生化机制上的异同,以遗传型[S型不育系ms(S)2611和ms(S)1376]和生理型雄性不育小麦西农2611和西农1376(高温诱导和化学杀雄剂SQ-1诱导的雄性不育)为材料,分别取其小孢子处于单核早期的幼穗,单核后期、二核期、三核期的花药及旗叶进行了可溶性蛋白质的比较研究.结果表明,从不同发育时期的旗叶可溶性蛋白中尚未发现特异蛋白的存在,但在花药中发现有特异蛋白的存在,表现在二核期生理型雄性不育及遗传型雄性不育材料均比正常的可育材料缺少了1条分子量为31 kD的多肽.这条多肽很可能是花粉发育过程中某一环节所必需的,缺少了它就形成不育,因此这条多肽很可能和育性相关.     

K型小麦雄性不育系绒毡层结构变化及相关基因的表达分析

为揭示K型小麦雄性不育系的败育时期和败育机制,以K型小麦雄性不育系K519A及其保持系519B为材料,采用半薄和超薄树脂切片法对花药绒毡层进行显微和亚显微结构观察,并对孢粉素转运相关基因RAFTIN1和绒毡层细胞降解相关基因APs在不同生育时期的表达模式进行分析。结果表明,与保持系相比,不育系花药绒毡层在四分体时期提前降解,部分绒毡层细胞脱离中层侵入药室内,发育至二核和三核期绒毡层细胞只剩下细胞轮廓和少量附着的乌氏体。不育系小孢子细胞壁在单核期开始增厚,是同时期保持系小孢子细胞壁厚度的2.35倍,发育至二核期小孢子细胞壁继续增厚,但三核期不育系小孢子细胞壁比保持系小孢子细胞壁薄,仅是保持系花粉粒细胞壁厚度的89%,并且三核期不育系花粉粒出现畸形和质壁分离的异常现象。自小孢子母细胞时期至单核期,不育系中RAFTIN1和APs基因的相对表达量都显著高于保持系,但在二核期不育系中的相对表达量显著低于保持系。推测K型小麦雄性不育系K519A的败育可能发生在四分体期和二核期。RAFTIN1和APs基因的表达模式与细胞学观察结果相契合,故推测这两个基因很可能参与了K型不育系K519A的不育过程。     

化学杀雄剂CH1诱导的小麦雄性不育花药转录组学及相关基因表达的分析

为了揭示化学杀雄剂CH1诱导雄性不育的作用机理,以小麦品种普冰151为试验材料,利用测序技术对化杀不育系(FHS)和正常可育系(FZC,对照)的花药RNA进行转录组学分析,筛选差异表达基因,并进行GO、KEGG富集分析及实时荧光定量PCR分析。结果表明,FHS和FZC之间筛选出差异表达基因共3 895个,其中上调表达基因1 334个,下调表达基因2 561个,主要富集在碳水化合物代谢、多糖代谢、外部结构组织、细胞壁组织等;经KEGG分析,差异基因主要集中在戊糖和葡萄糖醛酸转化、淀粉和蔗糖代谢利用等通路中。利用实时定量PCR技术对转录组数据中所筛选出的5个表达差异较大的基因进行验证,在花药发育的单核期,处理与对照相比,这5个基因表现出不同的上下调趋势;而在二核期和三核期,这5个基因都表现出明显的下调趋势,推测这5个基因的下调表达有可能与化杀不育系花粉的败育有关。     

基因HAT1在小麦生理型雄性不育系中的表达分析

组蛋白乙酰转移酶（HAT）在生物生殖发育中对染色体的结构修饰和基因的表达调控发挥着重要作用。为探讨组蛋白乙酰化与小麦生理型雄性不育的关系,利用实时荧光定量技术,分析了化学杀雄剂SQ 1诱导的生理型雄性不育小麦花药各发育时期组蛋白乙酰转移酶基因HAT1的表达水平。结果表明,与同期可育花药相比,生理型雄性不育小麦花药的HAT1基因表达水平在单核期显著升高,二核期变化趋势基本相同,三核期显著降低。DNA Ladder显示,不育花药在单核期出现明显的DNA片段化,比正常花药提前凋亡。这表明SQ 1诱导的小麦生理型雄性不育可能与HAT1基因表达异常和花药细胞提前凋亡有关。     

温光敏核雄性不育小麦花药中保护酶活性的变化

为了揭示温光型核雄性不育小麦花粉败有的生化机制1，比较研究了温光型细胞核雄性不育小麦C49S的不育和可育花药在不同发育时期的超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT），过氧化物酶（POD）的活性丙二醛（MDA），可溶性蛋白质含量的变化。结果表明，温光型核雄不育小麦不育花药SOD活性在花粉母细胞减数分裂期至小孢子早期的下降速率是可育花药的4．34－4．35倍，在成熟花粉期，可育花药的活性比不育花药高1－2倍，不育花药的CAT活性从花粉母细胞到小孢子中期有一定程度的下降；发育早期，不育花药MDA含量极显著高于可育花药；在花药发育的整个过程中，不育花药的POD活性一直比同一发育时期的可育花药高；可育花药中的可溶性蛋白质含量显著高于不育花药。以上结果说明，温光型核雄不育小麦C49S在早播低温短日照条件下，花药中有机自由基酶保护系统遭到破坏，花药中膜酯过氧化作用加剧，生化代谢出现异常，是其花粉败育的重要原因。     

K型小麦雄性不育系育性敏感时期核糖核酸酶活性及可溶性蛋白质含量的变化

为了探讨核糖核酸酯及可溶性蛋白质与小麦育性的关系,以1B/1R类和非1B/1R类K型小麦雄性不育系及保持系为材料,对花粉发育过程中倒二叶和花药中核糖核酸酶活性、可溶性蛋白质含量进行了研究.结果表明,不育系花药中核糖核酸酶活性在二核期之前显著高于保持系,呈上升趋势,二核期以后急剧下降,不育系花药中可溶性蛋白质含量在二核期显著下降,明显低于保持系.不育系叶片中的核糖核酸酶活性与相应的保持系差异显著,不育系和保持系叶片中可溶性蛋白质含量在整个生育期变化没有花药中可溶性蛋白质含量变化明显.两类不育系间核糖核酸酶活性和蛋白质含量差异显著.由此说明,不育系雄蕊的核糖核酸酶活性异常升高致使可溶性蛋白质含量显著下降,导致细胞生理代谢紊乱,可能是花粉败育的重要原因,而不育系花粉败育的关键时期可能是二核期.     

5种细胞质雄性不育小麦败育过程中活性氧代谢保护酶的响应

为了解异质雄性不育小麦败育过程中活性氧代谢中几种保护酶的变化特点,以5种小麦雄性不育系U116A、Ju116A、Va116A、C6116A、K116A及其相应保持系116B为材料,分析了小麦雄性不育系在花药不同发育时期的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性与保持系的差异。结果表明,不育花药的POD活性自单核早期后均比同一发育时期的可育花药高;自单核晚期开始,不育系CAT活性总体上呈下降趋势,而可育系则呈升高趋势;受试材料花药中SOD活性总体呈上升趋势,且不育系高于保持系。经差异分析,不育系U116A、Ju116A、Va116A、C6116A的败育关键期是单核晚期,而K116A的败育关键期则是单核晚期至二核期。以上结果说明,5种异质小麦雄性败育时期有所不同,并且雄性育性与POD、CAT和SOD活性密切相关。     

菜心小孢子发育时期与花器官形态的相关性

研究菜心小孢子不同发育时期的细胞学特征及其与花器官外部形态的相关性,为直接从花器官外部形态特征来判断小孢子发育时期提供依据。结果表明,菜心小孢子发育分为四分体时期、单核期和双核期,各时期特征明显。菜心小孢子发育时期与花蕾和花药外部形态特征密切相关,供试菜心材料中处在单核靠边期的花蕾纵径为3.05～3.39 mm,花萼长为3.25～3.46 mm,花瓣长为2.10～2.33 mm,瓣萼比为0.63～0.71,花药长为2.57～2.89 mm、瓣药比为0.77～0.85,适合作为不同材料花蕾最佳取样时期的鉴定指标。处在单核靠边期的花器官外观特征表现为花蕾饱满,萼片绿色并包被着花冠,花瓣和花药均为浅黄色,花药略长于花瓣。可见,依据花器官形态特征可判断菜心小孢子的发育时期及所对应的选蕾标准。     

几类小麦雄性不育系育性敏感时期可溶性蛋白质和ATP酶活性的分析

为了研究K型和YS型小麦雄性不育系雄性不育的生化机制,用Native-PAGE凝胶电泳技术对稀盐缓冲液提取的不育系及其保持系育性敏感期旗叶和小穗中的可溶性蛋白进行了分析,并对不育系和保持系小穗质膜和液泡膜H+-ATP酶活性进行了比较.结果显示,1B/1R类K型不育系3314A和非1B/1R类K型不育系732A的同型保持系732B的旗叶在二核期和三核期均出现一分子量大小相同的特异性条带.对小穗的电泳结果显示,1B/1R类K型不育系3314A和非1B/1R类K型不育系732A单核期与其同期相应保持系相比,表达了一些特异性的蛋白.而YS型光温敏不育系A3017二核期和三核期比单核期多出现了特异蛋白条带.这些小穗中表达的特异蛋白可能与育性相关.另外,通过对质膜和液泡膜H+-ATP酶活性测定表明,不育系小穗单核期ATP酶活性较高,尤其是不育系液泡膜H+-ATP酶活性在单核期均明显偏高.     

YS型小麦温敏不育系A731雄性败育的细胞学研究

为了明确YS型小麦温敏不育系雄性败育发生的具体时期和败育的细胞学机理,以温敏不育系A731和其同型保持系731B为供试材料,采用花粉粒制片和石蜡切片法,对其花药形态特征及小孢子形成和发育过程进行细胞学观察。结果表明,不育系和保持系均能进行正常的减数分裂形成小孢子;保持系731B的花药和小孢子发育正常,只有极少数后期发育不正常;不育系A731花粉不育类型为典败和圆败;单核期小孢子可正常形成核,二核期正常形成营养核和精核,但有些营养核不清晰,三核期花粉粒染色后精核呈圆形,不能形成梭形精子;二核期花药中绒毡层提前解离侵入药室,造成小孢子败育。表明该温敏不育系的败育主要发生在二核期到三核期,推测二核期是其雄性败育发生的关键时期,败育的原因可能与绒毡层结构的异常有关。     

陕农138小孢子不同发育时期蛋白质差异的比较分析

为了探索小麦花药发育过程中的蛋白质代谢机理,利用SDS-PAGE电泳对陕农138花药单核早期、单核中晚期和双核期小孢子的全蛋白电泳谱带进行了分析.结果表明,双核期同时出现2条明显的条带或表达丰度大的条带,其分子量分别为50.7、48.2 kD,而这两个条带分别在单核早期和单核中晚期单独出现,认为通过电泳所获得的这些差异蛋白很可能直接或间接参与小孢子发育过程中某些关键的代谢途径;单核中晚期是小麦花药培养中出愈率最高的时期,这些差异蛋白又很可能与小麦花药培养力的表达调控和代谢机理有关.