植物细胞质雄性不育相关基因及其分子标记研究

植物细胞质雄性不育(plant cytoplasmic male sterility,CMS)在自然界中普遍存在,它是植物在有性繁殖过程中产生非正常花粉、花药或者雄配子体而形成的一种可以遗传给后代的现象,近年来在生产实践中发挥了巨大作用,逐渐成为研究热点。随着分子生物学技术的不断发展,越来越多的技术手段被应用到研究CMS中。前人研究结果已证实CMS和线粒体有关。现今已分离到了与CMS相关的基因或片段,并开发出了与不育性状和恢复基因连锁的分子标记。本文就上述研究的相关进展进行概括论述。     

哈克尼西棉细胞质雄性不育相关线粒体基因多态性分析

【目的】研究棉花细胞质雄性不育的相关线粒体基因。【方法】利用线粒体基因atp A、atp6、atp9、cob、coxⅠ、coxⅡ、coxⅢ、nad3、nad6、nad9探针,对哈克尼西棉细胞质雄性不育系S、保持系F、杂种一代H进行限制性片段长度多态性分析。【结果】atp A、coxⅢ、nad3、nad6在3个材料间具有多态性。atp A、nad6基因探针与所有酶的杂交结果均显示出多态性,且在不育系与杂种一代中表现一致,而在保持系中差异明显。atp A/Eco RⅠ在3个材料中的杂交结果均显示2条带,其中1条2.2 kb的杂交带在3个材料中相同,另一条在不育系和杂种一代中大小为3.2 kb,而在保持系中为4.8 kb;atp A/PstⅠ杂交结果中,在不育系和杂种一代中的条带大小为17.0kb,而在保持系中为10.2 kb。nad6探针与4个酶的杂交结果均为不育系和杂种一代比保持系多1~2条杂交带。coxⅢ/Eco RⅠ在3个材料中均有1条2.5 kb的杂交带,但在保持系与杂种一代中比不育系多1条1.7 kb的弱带。nad3/Bam HⅠ的杂交结果在不育系与保持系中表现一致,而在杂种一代中缺少1条9.5 kb的杂交带。【结论】推测atp A、nad6基因参与调控不育系的形成,而coxⅢ、nad3可能受到恢复系核基因的调控,在不育系育性恢复过程中发挥较为重要的作用。     

辣椒细胞质雄性不育基因的AFLP分析

本文采用AFLP(amplified fragment length polymorphism)技术对辣椒(Capsicum annuum L.)细胞质雄性不育系21A及其相应的保持系21B基因组DNA进行多态性比较,筛选了64对AFLP选择性引物PstⅠ-NNN+Mse Ⅰ-NNN组合,有60对引物组合均在两系间扩增出5 447条带,多态性位点为4个,其中在不育系材料中仅有2个多态性片段AGC/CGC378和ATC/GAG446,对特异片段进行克隆、测序,其序列全长分别为340 bp和408 bp,它们编码的氨基酸序列与烟草基因组线粒体DNA序列同源性达94%和96%.     

大白菜细胞质雄性不育的分子鉴定及序列分析

为了获得3种大白菜细胞质雄性不育系Ogu CMS,Pol CMS,CMS96和保持系间的多态性以及定位大白菜CMS96不育系所属的不育类型,利用设计的atp6,orf222单一和混合引物PCR扩增3组11份同核异质大白菜细胞质雄性不育系和保持系mtDNA。结果表明,atp6引物在大白菜Ogu CMS不育系扩增的200 bp片段为其特异带;orf222引物仅在大白菜Pol CMS和CMS96不育系有扩增产物,但二者有3点完全不同:大白菜Pol CMS不育系扩增产物为675bp,CMS96不育系扩增产物为669 bp,二者相差6个核苷酸,后者定名为大白菜CMS96-orf222。大白菜CMS96-orf222与甘蓝型油菜Nap CMS的nad5c基因和Nap-orf222基因同源性均为99%,E值为0.0;大白菜Pol CMS的675 bp序列具有ORF224开放阅读框,没有保守结构域,而大白菜CMS96的669 bp序列具有ORF222开放阅读框和保守结构域YMF19。另外,atp6和orf222混合引物多重PCR扩增产物存在明显多态性:800 bp为大白菜保持系的差异带型;2 300 bp和1 500 bp为大白菜Pol CMS不育系特异带型;200 bp为大白菜Ogu CMS不育系特异带型;690 bp为大白菜CMS96不育系特异带型。该方法仅用一次PCR反应快速地将3种大白菜细胞质雄性不育系和保持系一次性全部区分开,为大白菜分子育种和常规育种更好地相结合提供了简单、快速、准确和重复性好的方法和手段。     

黏类小麦细胞质雄性不育相关基因cMDH的克隆与表达分析

为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二核期SSH文库.经文库筛选后,得到一个在可育文库中表达的与胞质苹果酸脱氢酶基因同源的EST序列.以该EST序列为信息探针,经电子克隆、RT-PCR、PCR克隆与序列分析,获得了小麦胞质苹果酸脱氢酶(cytosolic malate dehydrogenases,cMDH)基因的cDNA与DNA序列,利用荧光定量PCR技术对该基因在不育株和可育株花药中的表达进行了分析,并比较了MDH在小麦不育株和可育株中的活性变化.结果表明,该基因的cDNA序列长1213 bp,编码333个氨基酸;DNA序列长2 908 bp,含有7个外显子和6个内含子;该基因在不育株和可育株花药发育3个时期(单核、二核和三核)的表达均表现为先升后降的模式,而且该基因在不育株花药发育的二核期和三核期的表达相对于可育株被明显抑制;MDH在小麦不育株和可育株中的活性变化趋势与定量结果一致.推测该基因在花粉发育早期表达,它的下调表达可能影响了小麦雄蕊发育过程中的能量供应而导致雄性不育.     

大豆细胞质雄性不育系MADS-box基因的分离分析

采用cDNA-AFLP差异显示技术对大豆细胞质雄性不育系NJCMS2A与其保持系NJCMS2B间基因差异表达进行研究,结果从NJCMS2A花蕾中分离到一个差异表达片段,对该差异片段进行克隆、测序和序列比对分析,Blast检索结果显示它与大豆基因组中Gm13上g29510.1 cDNA片段的同源性达98.7%,与大豆中一个MADS-box基因的同源性达98%,氨基酸序列比对结果表明它与大豆中一个MADS-box蛋白有96%的同源性,与豌豆中MADS-box M7蛋白有83%的同源性,与苦瓜中MADS-box2蛋白有88%的同源性,与海岛棉典型的MADS-box基因编码的AGAMOUS蛋白保守区有83%的同源性,进一步对其氨基酸序列进行结构和功能预测显示该差异片段具有MADS-box转录因子的典型结构域K-box,证明其编码蛋白为一MADS-box转录因子,半定量RT-PCR分析结果显示其在NJCMS2A花蕾中表达量很高,而在NJCMS2B花蕾中表达量很低,推测该差异片段可能与大豆细胞质雄性不育有关。     

菜薹雄性不育相关基因的ISSR分子标记筛选

菜薹(Brassica campestris L.ssp.Chinensis var.utilis Tsenet Lee)属于十字花科芸薹属,原产中国,是华南地区重要的特产蔬菜之一.利用分子标记技术进行菜薹雄性不育相关基因的定位对菜蕞品质创新和选育新品种具有重要意义.目前尚未见有利用ISSR分子标记技术进行菜薹雄性不育分析的研究报道.利用ISSR技术对菜薹雄性不育系及其保持系的基因组DNA进行比较分析:结果显示100个ISSR引物中,只有引物UBC843的扩增结果在两系之间表现出了差异性,找到了不育系和保持系间的特异扩增片段.回收该特异扩增片段并进行克隆测序,测序结果表明该片段全长为462 bp.与白菜其它育性相关序列比较,同源性均低于50%.根据测序结果设计了一对特异引物,将其转化为更稳定的SCAR标记.经F2群体验证,ISSR引物扩增得到的特异片段很有可能来自核DNA.     

烟草CMS相关基因orf25的生物信息学分析

线粒体基因orf25异常可能导致烟草细胞质雄性不育（CMS）。为探讨orf25基因导致CMS的可能机理,本文采用生物信息学方法,分析烟草雄性不育系‘MS革新3号’及其保持系中的orf25基因在其编码蛋白各结构层次上存在的差异。结果显示,不育系中orf25基因因碱基改变提前出现终止子从而导致其编码蛋白缺失结构域,这极可能成为干扰线粒体F(0)F(1)-ATP合成酶功能的关键因素,从而成为导致烟草‘革新3号’CMS的根本原因之一。     

甜菜细胞质雄性不育相关基因的克隆表达及CMS的相关性研究

已有的研究表明,线粒体atpA基因和orf187片段与作物雄性不育关系密切。为了研究atpA基因和orf187片段与甜菜细胞质雄性不育之间的关系,采用同源序列法分离克隆了甜菜体内atpA和orf187序列;序列分析揭示这2个片段序列在不育系和相应保持系间存在差异,进一步利用半定量RT-PCR和Real-time PCR技术分析了两系的atpA基因和orf187片段的表达情况。结果表明,与保持系相比,atpA在不育系中发生了碱基的置换及插入;orf187在不育系中缺失6个碱基,而在保持系中多了6 bp的重复序列;基因表达分析也显示,不育系atpA在花蕾发育的前2个时期表达量明显低于相应的保持系,而在大花蕾期其表达量又高于相应的保持系;orf187在不育系小花蕾时期表达量明显高于相应的保持系,随着花蕾的发育,该序列在不育系中的表达逐渐减弱并明显低于对应保持系中的表达量。推测atpA和orf187的结构变异及异常表达与甜菜细胞质雄性不育有着密切关系。     

棉花细胞质雄性不育育性恢复基因的定位及分子标记辅助育种研究进展

棉花细胞质雄性不育系统在实现棉花杂交种子大规模生产和培育高产、优质、抗逆等棉花新品种中具有重要的应用价值,而恢复系的好坏对细胞质雄性不育系杂交种的选育的利用起着举足轻重的作用。因此,培育优良恢复系至关重要。主要介绍了棉花细胞质雄性不育系、恢复系的类型,综述了棉花细胞质雄性不育育性恢复基因的遗传方式和遗传定位研究进展,讨论了恢复基因的精细定位和分子标记鉴定在分子标记辅助育种中的意义和应用前景,并针对目前存在的问题提出相应对策。     

结球甘蓝细胞质雄性不育(CMS)类型的分子鉴定

本研究以高代回交转育获得的6个不育率和不育度均达100%且遗传稳定的结球甘蓝胞质雄性不育系为材料,通过对orf138与orf222基因的特异扩增发现,所鉴定的24个株系64个单株结球甘蓝CMS植株中59个单株既含有orf138基因,也有orf222基因.两种基因共存的结果暗示,该类CMS可能是ogura和nap两种类型的杂合体.进一步的序列分析结果表明,6个结球甘蓝CMS中所扩增获得的orf138基因与来自萝卜CMS的orf138基因序列完全相同;而除Bo134-2 CMS的orf222基因与甘蓝型油菜CMS orf222基因相比对有2个核苷酸差异外,其余5个CMS的orf222基因与甘蓝型油菜nap CMS orf222基因的相似性均为100%.其中,Bo134-2 CMS的orf222基因第191 bp的变异导致第64位氨基酸由精氨酸(R)突变成了赖氨酸(K).     

The Inheritance of Polima Cytoplasmic Male Sterility in Brassica napus L.

The restores tested in this study have only one pair of fertility-restoring genes (Rf) but many temperature-sensitive genes (Ts). The Rf genes are alleles at the same locus. The cytoplasm of the restorers RC₁, RC₂, RC₃ and ‘Huaie’ is male sterile, but that of RC₄, is normal.     

大白菜CMS96细胞质雄性不育分子特性研究

大白菜CMS96细胞质不育系是由大白菜株系与甘蓝型油菜细胞质不育源杂交、多代回交后获得的。该不育系生长势旺、不育性稳定,不育度和不育株率均为100%,蜜腺正常,在大白菜杂种一代生产中具有广阔的应用前景。为了定位大白菜CMS96细胞质不育所属的类型和获得其不育有关的特异序列,依据atp9、coxI、orf138和orf224保守序列设计4对引物,对3组11份大白菜材料线粒体DNA进行PCR扩增,每组材料内包含同核异质PolCMS、OguCMS、CMS96三种大白菜不育系和一种共用保持系。结果表明,atp9和coxI引物在所有材料中均有扩增产物,供试材料间没有差异;而orf138和orf224引物扩增产物存在差异。orf138引物仅在全部OguCMS和CMS96不育系中扩增出309bp特异带,而保持系和PolCMS不育系没有扩增产物;orf224引物仅在所有PolCMS中扩增出689bp特异带,而保持系、OguCMS和CMS96不育系没有扩增产物。同时,对保持系和不育系花组织mRNA进行RT-PCR分析,进一步验证了orf138和orf224引物扩增产物的特异性和一致性。同源性分析结果表明,利用orf138引物所获得的309bp大白菜mtDNA特异片段均与萝卜OguCMS、甘蓝型油菜OguCMS萝卜体细胞杂种所具有的Oguorf138高度同源,二者有172个核苷酸完全相同,有58个氨基酸完全相同;orf224引物所获得的689bp大白菜mtDNA特异片段与甘蓝型油菜的Polorf224高度同源,二者有677个核苷酸完全相同,有225个氨基酸完全相同,同源性均达到100%。初步认为大白菜OguCMS和CMS96不育系具有相似性,OguCMS萝卜所具有的orf138是导致二者不育的原因;Pol甘蓝型油菜所具有的Polorf224是导致大白菜PolCMS不育的原因。     

不结球白菜Ogura雄性不育花器官形态及败育细胞学的研究

对不结球白菜细胞质雄性不育系S2108A和Y3611A及其相应的保持系S2108B和Y3611B进行了花器官形态比较和花药发育细胞学观察,结果表明:两套不育系和保持系之间在花器官的多个性状上差异极显著,而两个不育系S2108A和Y3611A之间除花蕾大小、雌蕊长和花瓣长有差异外,其他均不显著,说明从不同不育源转育来的两个不育系在花器官外形上差异不大;两个不育系花药败育表现均起始于四分体时期,且由于绒毡层的液泡化和径向膨大,挤压四分体小孢子导致败育,表明败育与绒毡层的不正常发育有关.此外,与Y3611A不同,在不育系S2108A中还存在另一种败育形式,绒毡层细胞壁发生融合,成为紧贴药室壁的类似于变形型绒毡层的周原质团,部分细胞质流人药室腔,包裹粘连四分体小孢子,成为染色很深的不连续团块状物,花药败育;两不育系花药发育存在花粉囊数目的变异,且花粉囊发育时期不同步,个别花粉囊较正常花粉囊发育推迟,在不育系Y3611A中还有巨型花粉囊的现象.     

Screening and Identifying Two Specific Molecular Markers in Maintainer Line of Cytoplasmic Male Sterility Cauliflower （Brassica oleracea var. botrytis）

Cytoplasmic male sterility （CMS） is a maternally inherited trait that prevents the production of function pollen, but maintains female fertility. It has been widely used in breeding programs to product F1 hybrid seed in some crops （Hanson, 1991）. However, in some plants the CMS lines usually have some harmful characters such as plant dwarfness, etiolation in cauliflower. To obtain perfect CMS lines, a long time usually five to eight years is necessary. So how to fully utilize the obtained CMS lines for accelerating the development of new hybrid seed is very important. Here, in order to select high-quality paternal materials for cytoplasmic male sterility （CMS） cauliflower NKC-A in early stage, analyses of RAPD and ISSR were performed. Total 2 160 detectable bands were obtained by RAPD using 406 random primers. Among all these primers only the amplifications of primer S2121（5＇ GTGGCTCTCC 3＇） were polymorphic. A 934 bp band only existed in maintainer line. After cloning and sequencing, specific primers were designed to transform the RAPD marker into specific PCR marker, which was named S2121900. Furthermore, total of 30 ISSR primers were also analyzed which produced 306 detectable bands.     

利用分子标记鉴定白菜细胞质雄性不育类型的研究

通过对9份白菜细胞质雄性不育材料的不育胞质类型进行分子标记鉴定,以期为今后更好的利用分子标记来进行辅助育种奠定基础。通过CTAB法提取白菜的基因组DNA,根据GenBank中orf138基因保守序列设计2对特异引物,对9份白菜基因组DNA进行PCR扩增,将扩增出条带的PCR产物进行测序,在NCBI中进行同源性比对,最终确定其不育胞质类型。结果表明：2对特异引物PI/PII和PIII/PIV只在4份白菜雄性不育基因中均扩增出条带,在另外5份材料中未扩增出条带,与田间育性鉴定相符,获得4份白菜Ogura胞质雄性不育的分子标记;在GenBank中用BLAST进行同源性比对分析,发现L1-CI、L3-CI、L3-F1 3个不育材料的特异片段与已报道的青花菜Ogu CMS所具有的Ogu orf138基因（Genbank登录号：HQ149728）同源度高达100%,L1-F1的同源度达99%,出现了一个变异位点,另外5份材料的胞质不育类型有待进一步研究。通过该方法鉴定出9份材料中有4份材料是萝卜胞质雄性不育的材料,得到了4条分子标记,该结果可为白菜细胞质雄性不育的分子鉴定提供了新的标记,也为今后利用分子标记辅助育种奠定了基础。     

大白菜CMS96细胞质雄性不育系的特点分析

为了筛选和利用大白菜细胞质雄性不育系,对大白菜的3种细胞质雄性不育系：CMS96细胞质雄性不育系、波里马细胞质雄性不育系(Pol-CMS)和萝卜细胞质雄性不育系(Ogu-CMS)及其相应的保持系进行了主要植物学性状的比较研究。结果表明：Ogu-CMS存在多代转育后植株长势退化、杂交优势差,Pol-CMS存在育性受环境条件影响等缺点,而CMS96细胞质雄性不育系则克服了二者的缺点。另外,CMS96细胞质雄性不育系早期的晚抽薹性比保持系强、杂交种子的产量比保持系杂交种子产量高。CMS96细胞质雄性不育系不仅不育性稳定,多代回交不退化,而且杂交优势强,繁种产量高,表现出了广阔的育种应用前景。     

Studies on "Three Line" Polima Cytoplasmic Male Sterility Developed in Brassica napus L.

Polima CMS lines can be divided into three groups according to the sensitivity of male sterility to temperature: 1) high temperature CMS lines (62.9%), 2) low temperature CMS lines (28.6 %) and 3) stable CMS lines (8.5 %). The heterosis of Pol CMS hybrids is evident and common in some of the characters tested, especially in plant seed yield and siliqua number. The cytoplasm has no deleterious effects on the FI characters tested.     

中国甘蓝型油菜细胞质雄性不育的主要类型及在育种实践中的应用

我国甘蓝型油菜细胞质雄性不育的类型主要有：ogura CMS、nap CMS、pol CMS、Shan 2A CMS、Hau CMS、NCa CMS、Nsa CMS和NEA CMS。pol CMS和Shan 2A CMS在我国油菜杂种优势利用中发挥着重要的作用。新型不育胞质的育成以及在育种上的应用,不仅丰富了细胞质雄性不育种质资源,而且为我国油菜产业可持续发展提供了保证。