ZmPPRE1基因调节玉米S型细胞质雄性不育系花粉育性转换的功能研究

PPR蛋白在植物线粒体的转录后调控事件中发挥重要作用。玉米S型细胞质雄性不育由线粒体嵌合开放阅读框orf355-orf77引起，核育性恢复基因Rf3可调控orf355-orf77的异常表达，而使育性得以恢复。PPR基因家族成员ZmPPRE1是申请者前期筛选并初步验证的玉米S-CMS育性恢复候选基因。本项目拟通过ZmPPRE1基因在玉米S-CMS超量表达,鉴定转基因植株花粉育性来研究其调节花粉育性转换的功能；并通过转基因植株ZMPPRE1蛋白亚细胞定位，orf355-orf77及与其相邻的线粒体呼吸链基因转录与表达变化，绒毡层及小孢子PCD的变化，初步揭示ZmPPRE1基因调节S-CMS花粉育性转换的作用途径。本项目的实施可促进玉米S-CMS育性恢复机理的阐释并为玉米杂种优势利用体系的创建提供新的基因资源。

植物PPR蛋白是包含35个氨基酸分子2-27次重复形成的超大基因家族，研究表明其在植物细胞器基因的转录后调控事件中发挥重要作用。本项目前期利用cDNA-AFLP技术对玉米S-CMS育性恢复的近等基因系花粉及叶片中差异表达基因ZmPPRE1为起点，通过对玉米全基因组水平PPR基因预测、ZmPPRE1在玉米染色体上的定位，证明该基因位于该基因位于玉米S-CMS育性恢复基因所在的2.09bin。通过前期筛选到的紧密连锁AFLP标记及由ZmPPRE1基因所开发的新型分子标记，进一步构建了新的花性育性恢复性状及ZmPPRE1基因的近等基因系，不育系与新的育性恢复近等系间花粉育性不同，ZmPPRE1基因不同，且遗传背景的恢复度达到99%。对新的不育系及恢复系花药发育不同时期进行电镜比较观察、细胞膜受损水平、细胞抗氧化能力及ATP酶活性检测。结果表明：尽管不育系各发育时期花药抗氧化水平均有一定程度增加，但细胞膜受损程度严重，尤其是花药发育后期显著高于可育系相应材料。ATP酶活性在不育系花药发育前期与可育系无明显差异，后期则显著低于可育系相应时期花药。同时，电镜观察显示在不育材料中单核花粉期花粉较小，皱缩且四分体小孢子期绒粘层细胞开始出现畸形和异常生长。进一步对呼吸电子传递链相关基因coxI, coxⅡ及 atp9及CMS线粒体中不育相关开放阅读框orf355-orf77进行定量PCR分析，表明在不育系花药发育过程中呼吸电子相关基因的表达受到抑制，而育性恢复基因的杂交引入使得不育相关转录本orf355-orf77的表达受到抑制，相反电子传递链相关基因coxI, coxⅡ及 atp9的转录抑制在一定程度上得到了解除。综合以上研究认为：不育材料花药发育过程中活性氧的积累过高，之后对能量相对较高的要求不能满足，从而使发育过程中绒粘层不能提供花粉发育所需的营养，可能是导致花粉败育的原因之一。而相应的核育性基因可降低线粒体不育相关开放阅读框，从而解除其对电子传递链基因表达的影响，使能量的合成趋向正常，而使花药正常发育。.已发表标注SCI论文一篇；另有两篇论文正在撰写，内容涉及“ZmPPRE1基因调控不育相关转录本及呼吸链基因从而影响花粉发育”及“被子植物PPR基因家族的进化模式及功能分化”。