一个新发现芝麻雄性不育突变体的遗传分析及基因克隆

In China, sesame is a very important oil crop with highly valued oil. Strong heterosis (>15%) has been observed within this crop, which can be explored to substaintially enhance seed yield per unit area. Currently, only recessive nuclear male sterile two-type lines can be used for sesame hybrid seed production. However, this method requires the removal of 50% male sterile plant within the two-type lines before flowering, which is time-consuming and labour-intensive. To address this technical challenge, we use a newly discovered male sterile (with curly leaf) mutant JQAB as plant material to construct different populations (i.e. test-crossing, selfing and backcrossing) to dessect the inheritance pattern of the target traits. A BC1 population is further used for SSR analysis and linkage map construction with software JoinMap. Then, gene responsible for male sterility can be fine-mapped to a specific genomic region. By bioinformatic analysis within this region and gene transformation experiment, the male sterile gene can be cloned, which will be very helpful for the breeding of hybrid variety. The male sterlie (with curly-leaf) plant material JQAB is unique to the world, and thus provides an excellent opportunity to break through the technical barrier for hybrid seed production using the traditional male sterile two-type line. Our resutls would be original and novel.

芝麻是我国重要的油料作物，营养和经济价值均很高。芝麻具有很强的杂种优势，一般可达15%以上，利用杂种优势可以大幅度提高单产。目前生产中利用的均为隐性核不育两型系，需要在开花前及时拔除50%可育株，费时费力。针对上述技术难题，本项目以带有卷叶标记性状的雄性不育系JQAB为材料，通过构建测交、自交、回交等不同群体研究其遗传模式；以不育株为母本，常规种中芝23为父本构建BC1分离群体，利用大量SSR分子标记对群体进行检测，通过Joinmap软件构建遗传图谱，实现初步定位；利用芝麻参考基因组序列在目标区域进一步设计引物和大群体PCR检测，实现不育基因的精细定位；通过定位区间的生物信息学分析和遗传互补试验，最终克隆出控制不育性状的基因。本研究中所用到的芝麻雄性不育材料JQAB为世界首次报道，研究结果具有原创性，有望创新芝麻杂种优势利用途径，为进一步开展芝麻杂交种选育提供科学依据。

芝麻是我国重要的油料作物，营养价值很高，它具有很强的杂种优势。目前生产中利用的均为隐性核不育两型系，需要在开花前及时拔除50%可育株，费时费力。针对上述难题，本项目以带有卷叶标记性状的雄性不育系JQAB为材料，通过构建不同群体研究其遗传模式；以不育株为母本，常规种为父本构建BC1分离群体，利用SSR分子标记和芝麻参考基因组序列实现不育基因的精细定位，取得主要研究结果如下：.1、解剖结构和光合生化特性研究.对叶片含水量、抗氧化酶、激素等进行测定。结果表明，突变体的鲜叶含水量、干叶重、单位面积气孔数、叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素均略高于野生型，苗期叶片GA3合成不足导致叶片伸长受阻。心叶早期IAA合成异常、心叶和展叶JA含量低是造成叶片皱缩的原因。后期IAA的过量合成是导致叶片皱缩现象持续、延缓成熟的原因。.2、组织学、细胞学和超微结构分析.皱叶性状从第一片真叶开始到死亡都受到控制，叶片较粗，弯曲明显，栅栏组织短而宽，排列松散，叶绿体相对较少，不易与周围细胞区分，花粉囊内部和外部结构发生了变化，导致花粉囊发育严重受阻或退化，花粉囊严重缺乏营养，小孢子母细胞在减数分裂过程中大部分不能均匀分裂成二分体和四分体，绒毡层细胞不能及时解体为小孢子提供足够的营养。.3、叶片营养成分评估.通过营养成分测定，结果发现粗脂肪(5.33%)、饱和酸(24.772%)、不饱和酸(32.012%)、粗纤维(36.16%)含量较低，水分(86.50%)、总黄酮(65.672mg/g)、K (16.118 mg/g)、Vc (1.695 mg/g)、VA(0.97 mg/g)、VD(1.33 mg/g)、VB2 (14.4 mg/g)含量较高。与其他即食绿叶蔬菜相比，芝麻叶中维生素、钙、钾的含量较高，鲜叶总黄酮平均含量为65.672 mg/g，因此可作蔬菜食用。.4、精细定位与基因克隆.形态学研究显示JQA系是由一个隐性基因Sims5控制的。通过SNP和InDel标记在NIL群体中鉴定了4个与育性相关的基因，它们位于12号染色体上1817.6 kb的一个区域，精细定位后，该区域缩小至219.7 kb。qRT-PCR分析表明，该区域内的4个基因表达量较高，在突变体植株的花药和叶片中分别受到抑制，表明它们在花粉和叶片中发挥重要作用。