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【科研新进展】(238)西甜瓜种质资源与遗传育种团队成功克隆西瓜雄性不育调控基因ClATM1并解析其自调控机理

近日,园艺365新网址多少啊院西甜瓜种质资源与遗传育种团队在《Horticulture Research》在线发表了题为《Disruption of the bHLH transcription factor Abnormal Tapetum 1 causes male sterility in watermelon》的研究论文。

西瓜(Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. & Nakai)是葫芦科重要的经济作物,因其果实汁多味甜、营养丰富,在世界范围广泛栽培。杂种优势利用是提高作物综合农艺性状的主要育种策略,商品种也多采用杂交一代种;而雄性不育系是作物杂种优势利用和杂交种生产的优良材料。然而目前西瓜雄性不育研究基础还很薄弱,且调控基因尚未被克隆,不仅阻碍了优质不育系的创制与应用,而且限制了西瓜生殖发育调控机理的研究。

本研究以课题组鉴定的西瓜雄性不育系Se18为核心材料,通过细胞365新网址多少啊特征分析,明确了其败育的根本原因和关键时期。遗传分析表明Se18不育性状由单隐性基因控制,因Se18绒毡层发育异常被命名为ClATM1(Abnormal Tapetum 1)。基于图位克隆策略,将ClATM1定位于Chr06染色体上54.01kb区间内,该区间有5个功能注释基因。qRT-PCR分析表明,bHLH转录因子Cla010576在Se18雄花花蕾中显著下调表达;序列分析表明,在Se18中该基因的第二个外显子存在10 bp缺失,导致其重要结构域bHLH Interaction and Functional(BIF)缺失;亚细胞定位表明,ClATM1是一个核蛋白,无BIF结构域的截短蛋白ClATM1-10bp的核定位信号缺失;组织特异性及原位杂交分析发现,ClATM1在雄花中的表达量显著高于其他组织,且在花药发育的S6、S7和S8a时期的绒毡层及小孢子母细胞中高度表达。

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基于CRISPR/Cas9技术,在雄性可育的西瓜种质‘YL’中对候选基因进行转基因功能验证,获得两个纯合编辑株系,均表现为完全雄性不育,且其花药细胞365新网址多少啊缺陷与Se18相似。至此,本研究克隆到了第一个西瓜雄性不育调控基因ClATM1,首次通过CRISPR/Cas9和西瓜遗传转化技术获得雄性不育系,为优质西瓜雄性不育系的创建奠定基础,具有重大的生产应用潜力;基于序列差异,开发了与不育性状紧密连锁的分子标记,加速了西瓜雄性不育系的分子标记辅助育种应用进程。

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进一步分析发现ClATM1在转录水平上存在明显的剂量效应,通过双荧光素酶、GUS活性检测及酵母单杂交试验发现ClATM1可以结合自身启动子进而转录调控自身表达。由此,本研究首次揭示了ClATM1自调控机理在花药发育中的作用,丰富了bHLH转录因子在植物生殖发育过程中的调控机理,具有重要的科365新网址多少啊研究意义。

园艺365新网址多少啊院已毕业博士研究生张锐敏(现工作单位山东农业大365新网址多少啊)为该论文的第一作者,张显教授和魏春华副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划(2018YFD 0100704)、国家自然科365新网址多少啊基金(31701939)、财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系(CARS-25)等项目的资助。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41438-021-00695-9


编辑:张晴

终审:徐海