【摘要】：目前,雜交小麥育種是最大限度利用雜種優(yōu)勢提高小麥產(chǎn)量的一種非常有前途的策略。而細(xì)胞質(zhì)雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)作為小麥雜種優(yōu)勢利用的主要途徑,由于在作物中無法產(chǎn)生有功能的花粉,從而為研究細(xì)胞質(zhì)遺傳、生殖生長和花粉發(fā)育提供了理想的材料。近年來,我們課題組對一套理想的小麥同核異質(zhì)雄性不育(Isonuclearalloplasmic male sterility lines,IAMSLs)試驗材料展開研究,發(fā)現(xiàn)它們不育性穩(wěn)定,同時具有提高小麥品質(zhì)、增強抗白粉病能力、提高生長潛力等優(yōu)勢,是一套優(yōu)良的不育系材料,在小麥的三系雜交育種中具有很大的應(yīng)用潛力。然而,這些同核異質(zhì)雄性不育小麥花粉敗育機理目前尚不清楚,尤其是它們核心的敗育分子機制。鑒于此,本研究以該5種同核異質(zhì)雄性不育系(K706A、Va706A、Ju706A、C706A和U706A)以及他們的同型保持系B706為供試材料,對其進行了1BL/1RS核型鑒定;利用顯微和亞顯微技術(shù)對不育系和保持系各發(fā)育時期的植株、花藥、絨氈層、小孢子和花粉壁進行了表型和細(xì)胞學(xué)觀察;通過TUNEL和DNA ladder技術(shù)檢測了絨氈層細(xì)胞程序化死亡(PCD)的動態(tài)變化;采用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對不育系敗育關(guān)鍵時期的花藥進行了差異表達(dá)分析,并利用生理指標(biāo)測定和定量分析對測序分析結(jié)果進行了印證;通過RACE技術(shù)對轉(zhuǎn)錄組分析獲得的候選基因TaUGP1-6A進行了全長擴增,并利用擬南芥功能回補和大麥花葉病毒侵染沉默(BSMV-VIGS)技術(shù)對該基因進行功能分析,獲得以下主要研究結(jié)果:1.分子標(biāo)記和A-PAGE分析結(jié)果表明,5種同核異質(zhì)小麥雄性不育系均為1BL/1RS核型。花粉不同發(fā)育時期(四分體時期、單核早期、單核晚期、二核期和三核期)的細(xì)胞學(xué)和表型研究表明,在整個生長發(fā)育過程中,不育系的雌蕊均發(fā)育正常,具有接受外來花粉的能力;然而不育系的雄蕊在三核時期表現(xiàn)出明顯的干癟、不散粉、內(nèi)皮烏氏體畸形以及外表皮纖維散亂的敗育特征;敗育類型為典敗或染敗,且所占比例不同;不育系小孢子均在單核晚期開始發(fā)育紊亂,在二核期敗育特征明顯,然而敗育的原因不同;組織切片、TUNEL和DNA ladder進行了絨氈層降解觀察和PCD的檢測表明,不育系K706A的花藥絨氈層發(fā)生了提前降解,其余不育系均發(fā)生了延遲降解;超微結(jié)構(gòu)觀察表明,不育系絨氈層在單核晚期造油體的缺失以及絨氈層小體的畸形,小孢子花粉外壁無法正常合成孢粉素。以上結(jié)果均說明敗育關(guān)鍵時期為單核晚期和二核期,絨氈層PCD的異常、造油體缺失以及絨氈層小體的畸形是花粉敗育及花粉壁無法正常合成的主要原因。2.對5種不育系敗育關(guān)鍵時期(二核期)花藥進行轉(zhuǎn)錄組測序分析,共獲得了109.43GB的高質(zhì)量clean data。通過差異表達(dá)分析(以保持系為對照),不育系K706A、Va706A、Ju706A、C706A和U706A分別獲得4294、15835、5288、20444、10136個差異表達(dá)基因,其中包含1392個差異表達(dá)基因的核心基因集(172個基因上調(diào),1220個基因下調(diào))。通過KOG、GO、KEGG、WGCNA分析得到了敗育相關(guān)的重要通路(糖代謝、氧化磷酸化、苯丙烷生物合成、磷脂酰肌醇信號通路)以及編碼關(guān)鍵酶(GLTP、Pectinesterase、UGPase)的重要候選基因。生理指標(biāo)、組織化學(xué)分析及定量的結(jié)果表明,不育花藥出現(xiàn)了糖和ATP含量下降、ROS過量積累、孢粉素合成受阻以及ROS誘導(dǎo)絨氈層異常降解的現(xiàn)象,同時以上育性相關(guān)通路中所涉及的基因表達(dá)下調(diào)。綜合以上結(jié)果,構(gòu)建了一個核心轉(zhuǎn)錄互作網(wǎng)絡(luò)調(diào)控同核異質(zhì)雄性不育小麥花粉敗育模型。3.以保持系B706花藥cDNA為模板,克隆到2個小麥TaUGP1基因的拷貝TaUGP1-6A和TaUGP1-6B。序列比對發(fā)現(xiàn)存在17個差異的SNP位點,但所編碼的氨基酸一致。基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),位于6A染色體上的編碼UGPase的核心不育相關(guān)基因TaUGP1-6A(Traes_6AS_3A8E07254)在5種不育系中均顯著下調(diào)表達(dá)。因此,利用RACE技術(shù)從B706中克隆了TaUGP1-6A的1731bp的全長cDNA序列,序列分析表明,TaUGP1-6A編碼467個氨基酸,具有典型的UDPGP保守結(jié)構(gòu)域。為了驗證TaUGP1-6A的功能,通過構(gòu)建TaUGP1-6A的過表達(dá)載體pCAMBIA3301-TaUGP1-6A,對擬南芥純合突變體atugp1和atugp2的雜合體(Atugp1atugp1/Atugp2atugp2)進行遺傳轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)正常的雜合體后代有不育株(atugp1atugp1/atugp2atugp2)出現(xiàn),而轉(zhuǎn)化的植株后代均可育,說明了該基因的回補彌補了擬南芥AtUGP1基因的功能缺失,進而驗證了TaUGP1-6A與育性相關(guān)。同時采用BSMV-VIGS技術(shù),有效地沉默了B706植株中基因TaUGP1-6A的表達(dá),出現(xiàn)了花藥不開裂的不育表型,自交結(jié)實率降低。這些結(jié)果均表明該基因的正常表達(dá)與小麥育性緊密相關(guān)。
【圖文】：

育系的研究中發(fā)現(xiàn)，該類型不育系具有光周期敏994；劉曙東 1996；何蓓如等 1999；劉春光等 （Ae. juvenalis）細(xì)胞質(zhì)對雜交小麥開發(fā)利用的價加普通小麥的生長勢、改良小麥品質(zhì)以及提高小麥育種和生產(chǎn)上具有廣闊的應(yīng)用前景和市場價值保持系的培育，我國早期培育的小麥不育系保持該品系獲得穩(wěn)定的雄性不育系需要 2-3 年的時間，麥的育種目的。因此，育種家有目的地選擇優(yōu)良夠?qū)崿F(xiàn)不育系、保持系的同步選擇與穩(wěn)定�；謴�(fù)接用于品種的生產(chǎn)，，而是作為親本生產(chǎn)雜交小麥滿足以下條件：恢復(fù)力強而穩(wěn)定，農(nóng)藝性狀好，缺點，配合力好，種子生產(chǎn)性狀好。雖然三系中粉前很難區(qū)分雄性不育系和保持系和單胞質(zhì)而引可否認(rèn)的是它們具有母本育性穩(wěn)定性好、自交不系育種在雜交小麥的利用中仍然具有很大的應(yīng)用

沒有完全保持的保持系，就不可能實現(xiàn)三系式配套育利用（高春保 2010）。不育性不育（Cytoplasmic male sterility, CMS）也稱核質(zhì)細(xì)胞質(zhì)有不育基因，而且需要細(xì)胞核里有純合的隱性時，植株才能表現(xiàn)雄性不育。這種由核質(zhì)互作形成的粉，一般在雜交育種中作為母本，因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上4）。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系能夠節(jié)約人力，降低成本，斌等 1992；Ye et al. 2017）。關(guān)于 CMS 的分子機制了相應(yīng)的進展，但由于 CMS 遺傳機制極其復(fù)雜，至研究表明植物 CMS 的分子機制主要與質(zhì)基因組（及核基因組有關(guān)。研究表明三個基因組相互間的遷移間存在一定的相似性（圖 1-2），因此植物細(xì)胞行使用，而其中一個基因組發(fā)生變化，相應(yīng)地就會抑制其性不育。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S512.1

【參考文獻】

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6 周琳t

本文編號：2706748