棉花细胞质雄性不育及育性恢复机理的分子解析

棉花杂种优势利用取得了显著的成效，但是棉花三系应用亟待取得突破，开展棉花不育及其育性恢复机理研究，有助于棉花三系研究与应用。线粒体基因组是造成细胞质雄性不育性（cytoplasmic male sterility, CMS）的主要原因。本研究拟分离棉花线粒体DNA和RNA；对棉花线粒体基因组DNA进行高通量测序和系列拼接、分析；同时构建相应的线粒体全基因组Fosmid文库，根据测序拼接结果和功能基因设计引物，筛选文库，完成棉花线粒体finish图谱。并在此基础上，寻找不育系和保持系、同质恢复系之间的差异ORF，得到不育相关基因；用DNA-Walking等方法获得目标基因完整阅读框后构建线粒体靶向载体，转基因验证，分析不育相关基因的功能；结合恢复系育性恢复基因的筛选与功能鉴定，深入研究核质互作以及细胞质雄性不育机理，构建调控育性调控网络。

棉花杂种优势利用取得了显著的成效，但是棉花三系应用亟待取得突破，开展棉花不育及其育性恢复机理研究，有助于棉花三系研究与应用。未知功能的线粒体基因是造成细胞质雄性不育性（cytoplasmic male sterility, CMS）的主要原因。.本研究选用材料为：哈克尼西棉胞质陆地棉不育系2074A，陆地棉胞质不育系2074S，陆地棉胞质保持系2074B，哈克尼西棉胞质恢复系E5903及海岛棉Pima 90-53。利用蔗糖密度梯度方法分离棉花线粒体DNA和RNA，对棉花线粒体基因组DNA和RNA进行高通量测序、序列拼接和分析。构建5个线粒体基因组Fosmid文库；根据功能基因设计引物，筛选文库；结合测序拼接结果完成棉花线粒体基因组Finish图谱。获得的陆地棉线粒体基因组2074B全长为621,884bp，海岛棉Pima 90-53为677,434bp，恢复系E5903为666,082bp，两个不育系分别为668,464bp与668,584bp。大的重复序列导致了五个棉属线粒体的基因组大小差异、基因含量变异及重排的动态变化的基因组结构；比较基因组学分析表明棉属不育系与保持系线粒体基因组共有33个差异orf。.同时，在转录水平上，利用RNA-seq技术分析不育系、保持系及恢复系的转录组差异，进一步缩小不育相关候选基因；对12个候选基因完整阅读框构建线粒体靶向载体，进行转基因验证，其中orf160转基因拟南芥后代正常发育受到了影响。.此外，通过棉属PPR基因家族的功能分析初步揭示了棉属育性恢复基因的分子机理。.本项目研究结果为研究棉属细胞质雄性不育及其育性恢复的分子机理奠定基础，为研究被子植物进化中棉属位置奠定了分子基础。