甜菜S1型雄性不育系与保持系花蕾转录组表达差异研究及花粉发育相关基因的挖掘

Sugar beet is important sugar crop in northern China and most beet hybrids are cultivated from cytoplasmic male sterile (CMS)material. The stamens is abnormal in the cytoplasmic male sterile plant’s flower. The male sterility can be induced by abnormal expression or function missing of some key genes. It’s very important to study the molecular mechanism of plant male sterility through comparing gene expression of the maintainer sterile line and cytoplasmic male sterile plants, screening abnormal expressed genes, and cloning and studying the function of the genes.This subject intends to analyze the differences of gene expression in early, middle and late three flower buds of the cytoplasmic male sterile line and their maintainer line . The purpose is to verify the expression of pollen development related gene in different flower buds development periods and explore the mechanism of cytoplasmic male sterility under the same nuclear background. Cytoplasmic male sterile lines cDNA library has been constructed and pollen development related genes will be coloned from the library. The function of those genes will be analyzed and the pollen sterility key genes ultimately will be found. That will be a great help to explore the molecular mechanisms of beet pollen development and also can provide important theoretical basis for the breeding of beet CMS line and maintainer line in the future, thus promoting the development of the sugar beet breeding in China.

甜菜是我国北方地区重要的糖料作物，目前绝大多数甜菜杂交品种都是利用细胞质雄性不育材料培育而成。植物雄性不育是花发育过程中产生的雄蕊异常现象，一些关键基因的表达异常或功能缺失均能诱导雄性不育的发生，通过比较不育株和可育株的基因表达，筛选异常表达基因，进而克隆并研究其功能，对于深入了解植物雄性不育发生的分子机制具有重要意义。本课题以甜菜细胞质雄性不育系及其保持系为试材，分别对早、中、晚期花蕾进行基因表达差异分析，旨在探明同一核背景下花蕾发育不同时期，甜菜同核异质CMS材料中花粉发育相关基因表达的情况，探究核质互作产生CMS的机理。构建甜菜细胞质雄性不育系cDNA文库，从文库中克隆获得花粉发育相关基因全长序列，并对这些基因进行功能验证，最终找到花粉败育关键基因，这对于认识甜菜花粉发育的分子机制具有重要意义，并可为今后甜菜不育系及其保持系的选育提供重要的理论依据，进而推动我国甜菜育种的发展。

甜菜是一种高价值的经济作物，在世界各地都有着广泛的种植。甜菜杂交品种有着明显的生产优势，目前很多杂交品种都是利用细胞质雄性不育系培育而成的。细胞质雄性不育，其表现为植株不能产生正常花粉。探究花粉败育机理，鉴定花粉败育关键基因，可为今后细胞质雄性不育甜菜品系的筛选提供重要依据，同时也会大大降低选育成本。. 本研究以S1 型甜菜细胞质雄性不育系及其保持系花蕾为试材，分别提取早中、晚期花蕾的总 RNA，进行转录组测序，利用生物信息学技术对转录组数据进行分析，并结合iTRAQ技术对甜菜细胞质雄性不育系及其保持系，进行比较蛋白质组学研究，筛选花粉发育相关基因21个，其中有功能注释的13个，没有功能注释的8个。对筛选获得的21个基因进行时空表达特异性分析，与保持系相比，不育系中有10个基因在花药发育第1个时期中显著高表达，其中3个基因在不育系花药发育3个时期中的表达量均显著高于保持系，这些基因主要涉及碳水化合物和能量代谢、蛋白质代谢及胁迫应答反应。综合分析，由这些基因代谢引起的蛋白质代谢异常、碳水化合物和能量代谢缺陷、结合反应受阻会引起花粉母细胞绒毡层异常降解、四分体分离异常、小孢子发育缺陷和花药壁异常发育，最终均会导致甜菜细胞质雄性不育的发生。本研究还克隆了6个花粉发育相关基因，构建了相应的反义表达载体，转化甜菜进行功能验证，其中有3个基因成功获得了转基因植株，其中转化反义H2A基因的植株，其30%的花粉发育异常，证明其是一个花粉发育相关基因。.