作者:Zeng Wang 来源:PNAS 发布时间:2017/11/7 10:12:44
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中外科学家成功克隆小麦雄性不育基因Ms1

 

小麦是全球范围内种植的主要粮食作物,是全球大约30%人口的主要食物来源。全球人口的持续增长、人们生活水平的不断提高和生活质量的持续改善要求小麦产量和质量随之有显著提高。

目前,专家预计提高小麦产量和质量最有效的途径仍然依赖于杂交育种技术创制杂交小麦。小麦是严格雌雄同花、自花授粉作物,杂交小麦种子的研制严格依赖于小麦雄性不育系。目前中国杂交水稻的种植面积大约是水稻总种植面积的40%,而全球杂交小麦的种植面积大约只有小麦总种植面积的0.2%,主要的原因就是没有可用于规模制种的稳定雄性不育系。

小麦雄性不育突变体筛选始于60年前,目前已经筛选到至少5个核基因编码的雄性不育突变体,被命名为ms1-ms5。其中ms1ms5是隐性突变体,ms2、ms3ms4是显性突变体。克隆控制小麦雄性不育基因是利用雄性不育系规模化制备杂交小麦种子的关键。今年以前还没有任何一个小麦雄性不育基因被克隆,但今年开始国内外科学家陆续克隆了小麦Ms2Ms1基因。

2017年4月山东农业大学付道林团队(Ni et al., Nature Communications, 8:15121)和中国农业科学院贾继增团队(Xia et al., Nature Communications, 8:15407)分别发表了小麦Ms2基因克隆和鉴定工作。由于ms2突变体的显性属性决定了它可以用于小麦育种并成为一个重要育种工具,但它很难用于规模化小麦杂交制种。为此,小麦隐性雄性不育突变体基因的克隆对创制规模化小麦杂交制种体系极为关键。

2017年10月和11月30天内,中外科学家几乎同时报道了小麦Ms1基因的克隆和鉴定工作。首都师范大学马力耕团队和北京大学邓兴旺团队合作报道了克隆和详细鉴定Ms1基因的工作(Wang et al., PNAS, http://www.pnas.org/content/early/2017/10/31/1715570114.full.pdf)。他们首先根据小麦基因组巨大和复杂的特点建立了一种结合基因组学分析的MutMap和传统图位克隆克隆小麦基因的新方法(命名为MutMap-based cloning),并利用该方法成功克隆了Ms1基因,进一步通过转基因互补和11个新的ms1等位突变体鉴定分析进行了验证。通过原位杂交实验发现 Ms1基因在小孢子母细胞特异表达,该基因的突变导致小孢子发生过程中有丝分裂障碍。Ms1基因定位在小麦4B染色体上,小麦4A和4D染色体各有一个Ms1同源基因,由于这两个Ms1同源基因启动子被甲基化修饰导致这两个基因在小麦中沉默,而在A和D祖先乌拉耳图小麦和一粒小麦以及AABB四倍体小麦中均有表达,表明在六倍体小麦形成过程中来自A和D基因组中的同源基因表达被沉默,只有Ms1基因特异性地在小孢子母细胞中表达。转化来自D基因组的 Ms1同源基因可以恢复ms1突变表型,表明小麦基因组中Ms1同源基因功能与Ms1基因相同。此外,他们还发现Ms1基因只存在于禾本科植物中,但其它被子植物基因组中存在分别对应于Ms13'和5'序列的基因,表明 Ms1基因是在禾本科植物进化过程中通过基因融合形成的一个新基因。该基因编码的蛋白具有推测的信号肽、跨膜域和脂结合结构域,通过进一步实验证据证明Ms1蛋白定位于质体和线粒体外膜,其中的信号肽负责Ms1蛋白由合成部位转移到内质网,跨膜域负责Ms1蛋白由内质网定位到质体和线粒体外膜;Ms1蛋白特异结合磷脂酸(Phosphatidic acid)和磷酸化的磷脂酰肌醇(Phosphatidyl inositol-phosphates),表明磷脂酸和磷脂酰肌醇由合成部位内质网转移到质体和线粒体对小孢子发生有重要作用。

另一个克隆Ms1基因的工作来自于澳大利亚Adelaide大学、Sydney大学和美国杜邦先锋公司的合作(Tucker et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467 -017-00945-2)。他们通过图位克隆方法克隆了小麦Ms1基因,并通过转基因互补和ms1等位突变体分析进行了验证。Ms1基因只存在于禾本科植物中,它在小麦中的两个同源基因不表达,通过promoter-GUS转基因实验发现Ms1基因在小孢子和花药中表达,该基因突变导致花药中长链脂肪酸积累和花粉外壁结构被破坏。

国内外科学家团队几乎同时报道了克隆小麦Ms1基因的工作,也相互印证了彼此工作的正确性,但比较这两个有关小麦Ms1基因的研究工作,马力耕团队和邓兴旺团队合作的研究工作远比国外科学家团队合作的工作系统和深入。国内团队的研究工作主要由国家转基因生物新品种培育科技重大专项资助,国外团队的研究工作主要由杜邦先锋公司资助。

小麦杂种优势现象已经被发现近百年,已有结果表明小麦杂种优势增产潜力可达30%。几十年来,人们利用细胞质雄性不育系或化学杀雄等手段做了多次创制小麦杂交制种体系的尝试,但由于细胞质雄性不育稳定性差以及化学杀雄剂毒性和选择性差等不可克服的问题,导致目前为止还不能创制可行的规模化小麦杂交制种体系。Ms1基因的克隆为进一步创制规模化杂交小麦制种新技术打下了坚实的基础,使通过分子设计创制新的规模化小麦杂交制种技术成为可能。(来源:科学网)

 
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