芥菜ABCG42转运蛋白在花粉发育中的生物学功能及作用机制研究

The ABCG transporters (ATP-binding cattale transporter) play an important role in pollen development, which can transport the metabolites essential for building the pollen grain structure from tapetum to microspores timely and orderly. However, the substrates and biological functions of different ABCG transporters are not conservative. Moreover, the molecular regulatory mechanisms of ABCG transporters during pollen development also need further research. Especially, the function of PDR type of ABCG transporters during pollen development are still remain unknown. In this study, we isolated a PDR type of ABCG transporter gene BjABCG42 in a new mustard CMS line, which was involved in lipid transport and pollen development based on the cytological observation and transcriptome analysis, as well as the express characteristics and bioinformatics analysis. The current project intends to study the biological functions of BjABCG42 in the pollen development and lipid transport in Brassica juncea and explore the possible regulatory mechanisms by means of reverse genetics combined with a series of methods such as morphology, cytology, and metabolomics. The results will provide new experimental insights for the development of cruciferous male sterile line.

ABCG转运蛋白（ATP-binding cattale transporter）是一类具有跨膜转运活性的蛋白，能够将绒毡层分泌物运输至小孢子以参与花粉粒的结构建成，在花粉发育过程中发挥重要作用。然而，不同ABCG转运蛋白的作用底物及生物学功能存在差异，其分子作用机制也有待深入研究，尤其是PDR型ABCG转运蛋白在植物花粉发育中的功能研究尚属空白。本研究在一种新型芥菜雄性不育系中鉴定分离到一个PDR型ABCG转运蛋白基因BjABCG42，通过细胞学观察和转录组学分析，结合生物信息学和表达特性研究，初步确定其在花粉发育和脂质转运中发挥着重要作用。本项目拟通过反向遗传学的手段，结合形态学、细胞学、组学等一系列方法，从组织、细胞和分子水平研究BjABCG42在芥菜花粉发育和脂质转运中的生物学功能，并探讨其可能的调控机制，以期完善和充实花粉发育调控网络，为十字花科雄性不育系的创制提供新的实验依据。

本项目以前期通过转录组测序发现的芥菜Oxa CMS雄性不育系显著下调表达基因BjABCG42为研究重点，分别研究了该基因的序列结构特征和在芥菜不同组织器官中的表达模式，发现该基因在芥菜中存在2个拷贝，其中BjABCG42-A在花粉发育后期表达量最高，BjuABCG42-B则在角果中的表达量最高。本项目重点针对花粉发育优势表达基因BjABCG42-A的生物学功能进行了研究，亚细胞定位分析表明BjABCG42-A是一个膜蛋白，基因编辑、基因过表达等分析发现，该基因被敲除之后花粉育性以及花粉萌发等都受到了严重影响，表明BjuABCG42-A在花粉发育过程起到了非常重要的作用。此外，本项目还通过转录组、蛋白组、代谢组多组学联合分析，对芥菜OxaCMS雄性不育系的不育机理进行了研究，发现氨基酸代谢、苯丙素合成和MYB103等转录因子基因或蛋白等的表达下调可能导致氨基酸稳态的破坏，并抑制孢粉素的合成，从而破坏绒毡层和花粉壁的正常发育，最终导致Oxa CMS的雄性不育。本项目的研究，能够为全面、深入认识ABCG 转运蛋白在植物花粉发育中的作用机理及调控机制提供新的理论依据和数据支撑，为逐步丰富和完善植物花粉发育的基因调控网络、揭示芥菜等十字花科植物雄性不育的分子机理积累知识，对十字花科雄性不育系的创制具有重要意义和潜在的应用价值。