玉米雄性不育基因ZmMs7在花药发育过程中的调控机理解析

Male sterile mutants are optimal materials for anther development research and valuable for hybrid-seed production. Our previous study revealed a PHD transcription factor (ZmMs7) participates in maize anther development regulation. zmms7 mutant displayed abnormal pollen exine development, which lead to complete male sterile. Previous study on anther development mostly focused on enzymes participating in aliphatic metabolisms. So far, little is known about upstream regulatory network underlying these aliphatic metabolisms and no report regarding the association between epigenetic regulation and anther development. As PHD domain is usually recognize specifically modified histones, this study will explore the association between ZmMs7 and histone epigenetic marks, through identification of protein complex interacting with ZmMs7, upstream regulating and downstream target genes as well as ZmMs7 protein function identification to disclose molecular mechanisms of ZmMs7 regulating anther development. This study will enrich the knowledge about maize anther development regulation and provide valuable gene resource for maize male sterility application.

玉米雄性不育突变体是研究花药发育的理想材料，同时在玉米杂交制种中具有重大的应用价值。本项目前期研究发现一个PHD型转录因子ZmMs7，该基因参与了玉米花药发育调控过程，其突变会影响孢子花粉素在小孢子外壁的堆积，最终导致彻底的雄性不育。目前受研究材料的限制，关于花药发育的研究多集中于下游的脂肪族代谢相关的酶类，而对上游调控机制知之甚少，表观修饰与花药发育的关联性更是鲜有报道。因PHD结构域常能特异地识别表观修饰了的组蛋白，本项目将探索ZmMs7与表观修饰的组蛋白之间的关系，以及通过互作蛋白、上下游调控基因筛选、蛋白分子功能鉴定等手段，解析ZmMs7蛋白参与调控花药发育的分子遗传机制。该研究既可以丰富玉米花药发育研究的分子基础，也为玉米雄性不育应用提供了新的基因资源,具有重要的理论和应用价值。

了解雄性不育的分子基础并开发实用的雄性不育系统对于作物的杂种优势利用和商业杂交种子生产至关重要。本项目前期研究发现ZmMs7编码一个PHD型转录因子，该基因参与了玉米花药发育调控过程，其突变会影响孢子花粉素在小孢子外壁的堆积，最终导致彻底的雄性不育。本项目通过综合利用细胞学、分子生物学、遗传学、多组学和生理生化分析等策略，揭示了ZmMs7调控玉米花药和花粉发育的分子调控机制：1）ZmMS7在花药特异表达，具有转录激活能力；2）ZmMs7可以与NF-Y转录因子互作形成ZmMs7-NF-YA6-YB2-YC9/12/15蛋白复合物，通过具有DNA结合能力的NF-YA6亚基结合启动子区的CCAAT序列来激活靶基因；3）通过表观修饰芯片筛查，发现ZmMS7的PHD结构域与H3K27ac有较强的结合能力，ChIP-seq结果表明ZmMS7在基因启动子区富集，表明ZmMS7可能通过与转录激活相关的H3K27ac的相互作用调控靶基因的表达。.同时，本研究发现花药特异启动子p5126驱动ZmMs7在玉米中过早表达导致完全雄性不育但并不影响雌穗和营养器官发育。另外，p5126-ZmMs7转基因水稻和拟南芥植物也同样表现出显性雄性不育。基于p5126-ZmMs7 在不同植物物种中的显性不育结果，本项目开发了利用mCherry荧光辅助筛选p5126-ZmMs7 不育种子的方法。此外，ms7-6007 隐性雄性不育系和p5126-ZmMs7M显性雄性不育系在不同玉米遗传背景下不育性高度稳定，适用于杂交玉米育种。