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。     

杀雄剂SQ-1诱导小麦雄性不育大田生产制种技术的研究

研究了在杂交小麦大田制种条件下,花期调节剂对以SQ-1杀雄剂诱导的小麦雄性不育母本异交结实率的作用;同时还比较了父本盛花期采用机动授粉器进行人工辅助授粉的基础上,父母本不同行比下的母本异交结实率.结果表明,花期调节剂对提高杂交小麦大田制种母本的异交结实率有极显著的效果;父本盛花期采用机动授粉器进行人工辅助授粉的条件下,父母本8∶8行比可以有足够的花粉供应,适合大田小麦杂交制种,应加以推广与应用.     

小麦花粉离体萌发培养体系的筛选

为了准确检测小麦花粉活性,以5个常规小麦品种为材料,4种花粉离体萌发培养体系为候选方法,通过比较不同体系花粉萌发率差异,从而找到最佳的小麦花粉离体萌发培养体系。结果表明：小麦成熟花粉在20%蔗糖+10%PEG4000+40mg/LH3BO3+3×10-3mol/LCa(NO3)2+10mg/LVB1中28℃培养30min,通过镜检观察,可诱导萌发频率高达90%以上。同时,经过K型小麦不育系、保持系和F1材料的鉴定,表明上述培养基适合于小麦花粉离体萌发,能够准确检测小麦花粉活性。     

耐低钾山羊草基因型的筛选与鉴定

为研究小麦近缘属种的耐低钾特性,分析不同山羊草(Aegilops)耐低钾胁迫下各生理指标的差异,筛选和鉴定耐低钾基因型。本试验通过砂培法,以9种不同基因型山羊草为供试材料,采用改进的Hoagland营养液,设低钾(0.02mmol·L~(-1) KCl)和正常供钾(2.0mmol·L~(-1) KCl)两个水平进行试验。对相对根冠比、相对根长、相对地上部干重、相对钾积累量和相对钾利用效率5个指标进行相关分析和主成分分析,筛选出3个综合指标进行山羊草耐低钾基因型的鉴定。结果发现,不同基因型山羊草对低钾胁迫存在显著的差异。地上部干重、钾积累量和钾利用效率可以作为苗期耐低钾种质筛选的重要指标。综合评价结果表明:双角山羊草(Ae.bicornis)、偏凸山羊草(Ae.ventricosa)、粗厚山羊草(Ae.crassa)、拟斯卑尔托山羊草(Ae.speltoides)、尾状山羊草(Ae.caudata)、粘果山羊草(Ae.kotschyi)、易变山羊草(Ae.variabilis)、欧山羊草(Ae.biuncialis)、小伞山羊草(Ae.umbellulata)的综合评价值(D值)分别为0.383,0.898,0.327,0.516,0.007,0.682,0.338,0.346,0.655。由此可知,其中偏凸山羊草耐低钾胁迫能力最强,其次是粘果山羊草,尾状山羊草耐低钾胁迫能力最弱。通过本试验,初步建立了山羊草耐低钾种质的评价指标,为进一步研究山羊草的耐低钾分子机制,以及小麦育种上利用耐低钾山羊草种质提供了材料和理论依据。     

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。     

小麦花粉育性检测和花粉致死基因携带种质的鉴定

小麦雄性不育主要是通过花粉的败育来表现,研究花粉致死基因对小麦杂种优势的利用研究具有重要意义和价值。本研究通过对组配的155个F1杂交组合成熟花药用1%KI-I2染色,显微镜观察,鉴定花粉败育情况,并对表现出花粉半不育特性的F1组合亲本进行花粉致死基因的鉴定。结果表明,在155个冬小麦F1杂交组合中有4个F1组合(西农9718/鑫农516,西农9817/周麦22,西农9817/西农509,西农261/西纯4号)的花粉表现为半不育花粉状态,一半花粉粒碘染呈深蓝色圆形,花粉粒较大;另外一半的花粉粒较小,不规则,未上色。用中国春(具有显性花粉致死基因Ki)和宁春4、宁春16小麦品种(具有隐性花粉致死基因ki)与4个F1组合亲本分别杂交获得相应F1,对其花粉染色显微镜鉴定,从中筛选出携带相应等位显性Ki基因的品种2份,携带相应等位隐性ki基因的品种4份。     

小麦核质互作杂交种农艺性状和籽粒性状的杂种优势分析

为探究核质互作杂交种不同性状间的遗传变异规律和杂种优势,用8种小麦同核异质、同质异核雄性不育系分别与恢复系R5174、R2726组配获得16个杂交组合,对其F₁代及亲本的11个农艺性状和6个籽粒物理性状进行遗传变异、杂种优势、相关性、主成分及聚类分析。结果表明：（1）F₁表型性状的变异系数为3.00%～32.72%,农艺性状的变异系数大于籽粒性状;（2）不同性状间杂种优势差异显著,中亲优势和超亲优势分别为0.22%～12.50%和-13.51%～3.61%,其中正中亲优势组合最低比例为50%,正超亲优势组合最高比例可达81.25%;（3）粒形与旗叶面积呈显著正相关,与穗长、小穗数、穗粒数呈显著负相关;（4）从通过主成分分析得到的F₁代综合得分看, P型和Y型细胞质背景下的AK58不育系与R2726的杂交组合F₁表现最好;（5）通过聚类分析可将F₁分为两大类,其中第二大类包含除AS细胞质背景的AK58异质不育系与恢复系R2726组配的杂交组合,其共同的特征是籽粒表面积大、千粒重高及旗叶性状较好,表型性状的综合表现优于第Ⅰ类群,说明杂交种的性状受恢复系和不育系核背景影响较大。     

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。     

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.