小麦dms突变体小花异常发育的细胞分子遗传学研究

Development of the floral organ is a key element for wheat yield. However, the genetics and molecular mechanism studies of wheat floral organ development lag behind those of other plant species, such as Arabidopsis and rice. Mutant of floral organ is a kind ideal germplasm for study of wheat floral organ development. We have obtained a mutant dms characterized as dwarf, multi-pistil and male sterility. This project is to carry out cytological and molecular genetic study on abnormal floral organ development of wheat mutant dms. (1) To discover the chromosome changes by analysis of chromosome banding, in situ hybridization (FISH) and chromosome pairing in pollen mother cells; (2) To analyse the genetic model and interaction between nucleus and cytoplasm; (3) To discover the histological cause of the male sterility of dms, and record the developmental process of multi-pistil; (4) To analyse the molecular bases of the abnormal floral organ development of wheat mutant dms by Bulked Segregant RNA sequencing (BSR) of the young spikes of T and D plants derived from mutant dms at early differentiation stage. T plants are normal, D plants are multi-pistil and male sterile, and both phenotypes are derived from M plants of dms. The results will be confirmed by QRT-PCR and in situ hybridization on histological sections. (5) To develop tightly linked molecular markers of mutant gene dms by Specific Length Amplified Fragment Sequencing (SLAF) of the T and D plants in a segreganting population, and confirm it by genetic analysis. This study will provide a base for map based cloning of the mutant gene dms.

小花的正常发育是小麦产量形成的关键，但其发育的遗传和分子机制研究还很落后，小花突变体为小花发育机理研究提供了理想材料。项目拟对我们发现的小麦多雌蕊、雄性不育突变体dms进行细胞分子遗传学研究。（1）用染色体分带、原位杂交和花粉母细胞配对分析技术揭示dms突变体在染色体水平上的变化；（2）配置不同杂交组合，分析后代表型，解析dms多雌蕊、雄性不育表型的遗传规律，和核、质互作关系；（3）分析突变体雄性不育的组织学原因，了解多雌蕊的形态发生过程；（4）对2种表型（源自dms的正常株T与多雌蕊、雄性不育株D）分化早期的幼穗进行转录组BSR分析、QRT-PCR和组织原位杂交验证，解析小花发育分子基础；（5）对T和D进行简化基因组测序、关联分析，并对筛选出的差异序列、SNP进行遗传连锁验证，寻找dms紧密连锁标记，为突变基因的克隆奠定基础。

小麦的花发育调控关系到育性、籽粒的正常形成、灌浆程度等，是涉及小麦产量形成的关键性状。突变体是研究小花及籽粒形成、发育分子遗传机理的理想种质。以多雌蕊、雄性不育突变体dms为材料深入研究小麦花发育的遗传和分子调控机制，不仅可以揭示小麦小花发育调控的奥秘，而且可以为通过常规育种重组，或通过基因工程技术调控小花发育关键基因，达到提高小麦育性、穗粒数等产量形成要素提供候选基因和分子标记。. 项目对dms突变体的多雌蕊、雄性不育性状进行了系统的细胞分子遗传学研究，获得以下结果：（1）dms的多雌蕊、雄性不育性状是由1对隐性基因控制；（2）dms突变体后代存在3种核型，40、41、42条染色体，变异的是小麦2A染色体，筛选到3个与突变表型连锁的SSR标记Xbarc212、Xgwm95和Xbarc122；（3）dms雄性不育是由花粉发育缺陷造成；（4）dms的多雌蕊、不育性跟小麦发育相关基因的异常表达有关，鉴定出419个穗中高表达基因，包括典型的同源异型基因TaAP2、TaFL和TaDL等。鉴定出143个在T和D株幼穗间显著差异表达的基因，其中26个参与小麦穗分化过程。筛选出188个雄蕊发育相关基因，23个是染色体2A上特有的基因，其中7个与花粉发育密切相关。. 结果表明小麦dms突变体是由缺失2A染色体引起的，是新的2A缺体系。由于2A染色体的分离，使得多雌蕊和雄性不育的遗传表现为1对隐性基因控制。突变体dms的花粉粒畸形，导致雄性不育。因为2A染色体上存在雌蕊和雄蕊发育关键基因，而2B和2D染色体不能很好补偿，导致dms的雌蕊和雄蕊发育异常。. 小麦2A染色体是变异最多、类型最丰富的染色体，具有很高的育种价值。突变体dms与已报告的小麦2A缺体系不同，已报告的2A缺体系为雌蕊不育，不能产生后代，而dms可以作为母本，快速替换任何父本的2A染色体，用于评价2A染色体效应和应用于针对2A染色体的染色体设计育种。项目建立了利用dms评价不同小麦2A染色体农艺性状效应和利用2A染色体进行育种的专利技术，申请了国家发明专利。