蒺藜苜蓿雄性不育調控機制及其進化研究中獲進展

2020-12-05 生物谷



雄性不育在農業雜交育種上發揮十分重要的作用。雄性不育突變體主要由孢子體型或配子體型的花葯組織發育異常引起。絨氈層作為一個為花粉發育提供營養的重要孢子體型組織，其發育異常會引起花粉敗育。絨氈層廣泛存在於陸生植物中，而被子植物中已報導多個調控絨氈層發育的關鍵因子，但是對這些關鍵因子介導的絨氈層發育在陸生植物中的進化模式甚少被關注。豆科作為第二大經濟作物，為人類和動物提供最主要的植物蛋白及油脂來源。但是目前雜交育種較少在豆科作物中應用，而且豆科植物的絨氈層研究也鮮有報導，這些問題亟待解決。

為了解析豆科植物的育性調控，中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶植物資源可持續利用重點實驗室研究員陳江華團隊以豆科模式植物蒺藜苜蓿為研究材料，在其菸草逆轉座子Tnt1插入突變體庫中篩選到一個雄性不育突變體empty anther1（ean1）。它表現為營養期植株生長正常，而生殖期雄性不育。遺傳學分析顯示ean1為單基因隱性突變導致的。顯微鏡觀察發現ean1突變體表現為花粉缺失的空花葯表型。因尚未有蒺藜苜蓿花葯發育的相關研究，該團隊參考擬南芥和水稻的花葯發育分期，從細胞形態特徵上將蒺藜苜蓿花葯發育分為14期。ean1突變體在花葯發育的第8期開始出現絨氈層降解缺陷，後期不能產生小孢子。且其胼胝質的合成也有缺陷。而後，通過基因組重測序技術克隆到EAN1基因，反向遺傳學和

遺傳

互補實驗都證明EAN1基因調控蒺藜苜蓿的雄性不育表型。EAN1編碼一個細胞核定位的bHLH蛋白。它在絨氈層中特異性表達，在花葯發育的第7期表達量最高。這些結果表明，EAN1調控絨氈層的降解和胼胝質的合成。

進一步結合已測序的藻類以及其它陸生植物，該團隊重構了植物bHLH蛋白的系統進化樹。結果表明，所有已報導的參與絨氈層調控的bHLH轉錄因子特異地聚類為II和III(a+c)1兩個亞家族。EAN1屬於II類亞家族，蒺藜苜蓿III(a+c)1亞家族中的三個成員MtAMS、MtAMSL和MtDYT1也都參與絨氈層和小孢子的發育，而EAN1能特異地與這三個III(a+c)1亞家族成員形成異源二聚體。這表明在被子植物絨氈層發育中，II和III(a+c)1類bHLH亞家族成員間存在一個保守的異源二聚化機制。

此前研究表明，絨氈層廣泛存在於所有陸生維管植物中，而苔蘚植物中（苔類、蘚類和角苔類）的絨氈層分布情況有待進一步探索。但有趣的是，II和III(a+c)1兩個bHLH亞家族保守存在於所有陸生植物中，包括三大苔蘚類標誌植物（地錢、小立碗蘚和角苔）。但是在水生藻類植物中沒有發現。該研究的結果說明絨氈層發育的關鍵分子路徑可能在陸生植物類群分化之前就已經存在。該研究成果對於理解陸生植物絨氈層及雄性生殖器官的起源和演化具有重要理論和應用價值。(

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