利用小麦高密度遗传图谱定位雄蕊同源转化为雌蕊基因hts

The pistillody mutant wheat (Triticum aestivum L.) plant HTS-1 was screened from Chinese Spring TP (CSTP), which is a near-isogenic line of the common wheat variety Chinese Spring with the Pis1 gene derived from the TP mutant. HTS-1 plants exhibit a novel phenotype that transforms all or parts of the stamen into pistils or pistil-like structures. So there are four to six pistils per floret in HTS-1.plants. Thus, HTS-1 could be used for hybrid wheat breeding and it also has high valuable in study of floral development in wheat. In this project, the main work should be conducted as following. (1) Construction a high density genetic map using GBS and BSR-Seq Technology. (2) Fine mapping the pistillody gene hts using the high density genetic map. (3) Screening the candidate genes, molecular cloning and expression analysis of these candidate genes in HTS-1. The purpose of this work is to lay a foundation for map-based cloning of hts gene.

小麦雄蕊同源转化为雌蕊突变体（HTS-1）是项目申请人从小麦三雌蕊近等基因系CSTP中筛选的一新的小麦雄性不育突变体。该突变体除具有三雌蕊性状外，还具有三个雄蕊全部或部分同源突变为雌蕊，因此，该突变体中通常具有4-6个雌蕊。HTS-1是小麦中一个全新的突变体，具有特殊的农学价值，这对小麦杂交育种的研究具有重要的意义，同时也是研究小麦花发育的好材料。本项目拟从以下几个方面开展研究：（1）利用GBS和BSR-Seq构建小麦高密度遗传图谱；（2）利用构建的高密度遗传图谱定位雄蕊同源转化为雌蕊基因hts；（3）筛选hts候选基因，并对候选基因进行克隆和表达分析。本研究的结果将为图位克隆hts基因奠定基础。

小麦雄蕊同源转化为雌蕊突变体(HTS-1)是项目申请人从CSTP中筛选的一新的小麦雄性不育突变体。该突变体除具有三雌蕊性状外，其三个雄蕊全部或部分同源突变为雌蕊。因此，HTS-1对小麦杂交育种的研究具有重要的意义，同时也是研究小麦花发育的好材料。本项目的研究目的是构建小麦高密度遗传图谱，利用该图谱定位雄蕊同源转化为雌蕊基因hts，最后从定位区间内筛选出候选基因，并对候选基因进行克隆和功能研究。项目取得的成果如下：（1）利用GBS-SNP标记构建一张含有2,684个标记的小麦高密度遗传图谱，遗传图谱全长为2,779.12cM，两个标记间的平均距离为1.04cM。利用该图谱将hts基因位于4A_109和4A_119这两个GBS-SNP标记之间。这两个标记的遗传距离为1.66cM，物理距离为5.2Mb。（2）从定位区间内筛选到了一个在HTS-1的幼穗中异常表达的基因TaWin1，其表达量约为正常的CM28TP幼穗的120倍。因此推测该基因为hts的候选基因。随后对TaWin1进行了克隆和测序，发现该基因在CM28TP和HTS-1中的长度分别为883bp和885bp，开发性阅读框（ORF）长度为408bp，无内含子。（3）在拟南芥中过量表达TaWin1后发现，该基因可导致拟南芥花丝缩短甚至退化。利用乙烯利和1-甲基环丙烯（1-MCP）分别处理CSTP和HTS-1后发现，乙烯可以诱导CSTP雄蕊同源转化为雌蕊，而1-MCP可以抑制HTS-1的雄蕊同源转化为雌蕊，因此我们初步判断乙烯信号途径可能是控制雄蕊同源转化为雌蕊的关键。同时发现乙烯处理CSTP后TaWin1的表达上调。（4）除TaWin1外，我们在第6染色体组上发现另外一个基因TaEPFL1在HTS-1的雌蕊化雄蕊（PS）中也显著上调表达，在拟南芥中过量表达TaEPFL1基因后发现该基因同样导致拟南芥雄蕊变短或退化。但TaWin1和TaEPFL1之间是否存在相互作用目前尚不清楚。（5）为进一步探讨代谢物在小麦雄蕊和雌蕊发育中的作用，利用GC-MS和LC-MS对雌蕊化雄蕊(PS)、正常雌蕊(P)和正常雄蕊(S)的代谢组进行了分析。发现乙烯合成途径可能在HTS-1的雌蕊化雄蕊形成中起关键作用。该研究进一步证实，HTS-1中的雄蕊同源突变成雌蕊与乙烯的合成和代谢相关。