太谷核不育小麥Ms2基因的圖位克隆和功能解析.pdf

1、植物雄性不育是一種重要的性狀，廣泛用于雜交育種。太谷核不育小麥Ms2基因，屬于顯性核雄性不育基因，已用于上百個(gè)小麥品種或品系的培育，加快了我國小麥育種進(jìn)程。本研究利用圖位克隆技術(shù)分離到Ms2基因，通過反向遺傳學(xué)手段驗(yàn)證了該基因的功能，并采用遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)證明 Ms2基因可以引起小麥、大麥和短柄草的雄性不育。MS2基因只在部分小麥亞族物種出現(xiàn)，顯性Ms2基因在太谷反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（Taigu）的驅(qū)動(dòng)下表達(dá)，其表達(dá)呈現(xiàn)花藥特異性。Ms2基因的克隆

2、對(duì)小麥輪回選擇或雜交制種具有重要意義。本研究的主要結(jié)果如下：
　　1.太谷核不育小麥雄性不育表型：我們統(tǒng)稱攜帶顯性Ms2基因的小麥為太谷核不育小麥。與可育小麥相比，太谷核不育小麥的花藥瘦小，小孢子發(fā)育異常，造成無花粉型雄性不育。太谷核不育小麥雄性組織發(fā)育的異常表現(xiàn)在中層細(xì)胞的提前降解、花粉母細(xì)胞的原生質(zhì)化、二分體分離受阻和單核花粉粒的急劇退化等。
　　2.太谷核不育Ms2基因的精細(xì)定位：本研究利用4個(gè)BC1F1群體（PopA

3、、PopD、PopE和PopF）進(jìn)行Ms2基因的精細(xì)定位。利用3,487個(gè)PopD單株，將Ms2基因定位在Xsdauw20和Xsdauw32之間，約0.6cM的區(qū)間。同時(shí)利用3,954個(gè)PopA單株，將Ms2基因進(jìn)一步定位在Xsdauw27和Xsdauw29之間，約0.05cM的距離，標(biāo)志著Ms2區(qū)域精細(xì)遺傳圖譜的成功繪制。
　　3.太谷核不育Ms2基因的物理圖譜和候選基因：本研究構(gòu)建了‘矮敗魯麥15’的細(xì)菌人工染色體文庫（bac

4、terial artificial chromosome, BAC），利用Ms2基因的5個(gè)連鎖標(biāo)記對(duì)該文庫進(jìn)行篩選并獲得了Ms2區(qū)域的12個(gè)BAC克隆。對(duì)部分BAC克隆進(jìn)行測序和拼接，成功繪制了Ms2基因區(qū)域的物理圖譜。在Xsdauw24和Xsdauw32區(qū)間，共預(yù)測到8個(gè)候選基因，其中 PG5P1593S的表達(dá)和太谷核不育性狀相關(guān)聯(lián)，可能代表 Ms2基因。
　　4. PG5P1593S代表太谷核不育Ms2基因：利用TILLING

5、（targeting induced local lesions in genomes）檢測，發(fā)現(xiàn)PG5P1593S基因的突變引起太谷核不育性狀的喪失、雄性可育，基因突變和育性恢復(fù)呈現(xiàn)穩(wěn)定遺傳。利用遺傳轉(zhuǎn)化互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn) PG5P1593S基因的表達(dá)可以引起普通小麥、大麥和短柄草的雄性不育?，F(xiàn)有證據(jù)顯示 PG5P1593S就是太谷核不育Ms2基因。
　　5. Ms2基因呈現(xiàn)特異的時(shí)空表達(dá)模式：自然群體中，Ms2基因只在太谷核

6、不育小麥中表達(dá)，并且只在減數(shù)分裂前后（S2時(shí)期）的花藥組織表達(dá)。組織原位雜交證明， Ms2基因在花藥中層、絨氈層和小孢子母細(xì)胞中特異表達(dá)。該基因的特異表達(dá)可能與MS2啟動(dòng)子區(qū)域的Taigu反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子有直接關(guān)系。亞細(xì)胞定位技術(shù)顯示，GFP:Ms2融合蛋白可能定位于細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。
　　6. MS2是麥族植株特異進(jìn)化的產(chǎn)物：MS2或其同源基因只在粗山羊草（Aegilops tauschii）、烏拉爾圖小麥（Triticum urar

7、tu）以及普通小麥（Triticum aestivum）等麥族物種中存在。通過比較575份小麥族材料，鑒定到MS2基因的18種單倍型（Haplotype），顯性Ms2基因?qū)?yīng)單倍型A2，是在單倍型A1的基礎(chǔ)上由Taigu轉(zhuǎn)座子插入形成的。Ms2基因的單倍型A1在普通小麥形成之前就已經(jīng)存在，在普通小麥和粗山羊草中分別獨(dú)立遺傳。
　　7. MS2蛋白可能作用于植物蛋白翻譯系統(tǒng)：轉(zhuǎn)錄組分析和酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)說明MS2蛋白很可能作用于植物蛋