基于转录组测序研究红麻细胞质雄性不育发生的分子机制

The cytoplasmic male sterile (CMS) lines played a crucial role in utilization the heterosis of crops. To date, a breakthrough has been made in kenaf CMS lines breeding and heterosis utilization, but little is known about the mechanism on the molecular basis of CMS. In the present study, the anthers of CMS and its maintainer lines were used for transcriptomic analysis by newly reported RNA-seq strategy. The differential expressed genes will be analyzed by GO (gene ontology) annotation and KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）pathway analysis. Then construct the regulatory and metabolic networks, and discovery the CMS related genes. Some of the CMS related genes will be cloned after RT-PCR and Northern blot verification. The key CMS involved genes will be silenced or over-expressed in kenaf to evaluate their function by Agrobacterium mediated transformation. The result, combined our present research, should reveal the mechanism of kenaf CMS and promote the kenaf heterosis utilization. Furthermore, it may give some clues in elucidating the CMS of other crops.

细胞质雄性不育(CMS)是作物杂种优势利用的基础，本课题组率先发现并选育了红麻CMS系，红麻杂种优势利用已取得突破性进展，但关于红麻CMS发生的机制研究尚鲜见报道。本研究以红麻细胞质雄性不育系和保持系为材料，分别分离其花药mRNA，利用最新的RNA-seq技术对其花药进行转录组比较研究。分别对差异表达的基因进行GO功能注释和富集分析，并进行KEGG代谢通路分析，研究其调控和代谢网络，通过比较差异表达的基因，发掘与CMS相关基因。运用 RT-PCR及Northern blot的方法进一步验证差异表达基因，重点克隆与CMS相关的关键基因。采用农杆菌介导进行转基因研究，超表达或者沉默相关基因，通过后代育性分析评价基因功能。结合本课题组目前的基因组和差异蛋白质组研究结果，可望揭示红麻CMS发生的分子机制，从而促进红麻杂种优势的利用进程，同时也为其它植物CMS机理的揭示提供基础性资料。

细胞质雄性不育(CMS)是作物杂种优势利用的基础，本课题组率先发现并选育了红麻CMS系，红麻杂种优势利用已取得突破性进展，但关于红麻CMS发生的机制研究尚鲜见报道。本研究以红麻细胞质雄性不育系和保持系为材料，分别分离其花药mRNA，1)利用RNA-seq技术对其花药进行转录组比较研究。在不育系和保持系中分别获得了29,656,489 和30,712,685个raw reads。利用SOAPdenovo软件denovo 拼接了红麻花药转录组，共得到54,563 个Unigenes，其平均长度为1,015bp，比以往报道要长，表明测序结果较为理想。这些Unigenes中有45,930(占84%) 个在nr蛋白数据库得到注释，15,977 (占29%)个被分配到286个KEGG代谢通路，20,289 (占37%)个具有COG分类注释，38,611 (占71%)个至少具有一个已知的GO条目。构建了红麻花药转录组图谱。这是首次开展红麻转录组的研究。转录组数据已经提交到NCBI。 2) 对红麻CMS相关基因的功能进行了注释富集和代谢通路分析。应用DGE（digital gene expression）方法，我们比较了CMS系和保持系中花药基因的差异表达情况，结果表明，有4,584个Unigenes 表达量差异大于2倍以上，差异大于5倍的基因共有1366个，其中838个在不育系中上调表达，528个在不育系中下调表达。这些差异表达基因有部分是特异性表达的基因。对差异基因进行功能注释和代谢通路分析表明，它们被分配到155个GO term中，同时被富集到74个KEGG代谢通路上。这些差异基因涉及到能量代谢，物质代谢，转录因子，基因表达等等。3）选取选取差异表达基因SF3、3个黄酮类化合物合成关键酶基因（CHS，CHI和F3H）以及转录因子MYB21共5个基因，分别对其进行基因克隆、时空表达模式分析，载体构建，并对sf3、MYB21基因进行了转基因研究，为揭示红麻CMS发生的分子机制，从而促进红麻杂种优势的利用进程，同时也为其它植物CMS机理的揭示提供基础性资料。