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我室发现控制油菜核不育关键基因

信息来源:作物遗传改良国家重点实验室    发布时间:2016-08-29
8月24日,植物科学领域研究类期刊《THE PLANT CELL》在线发表了我室油菜杂种优势利用课题组傅廷栋院士团队题为“Altered Transcription and Neofunctionalizationof Duplicated Genes Rescue the Harmful Effects of a Chimeric Gene in Brassicanapus”的研究论文,该研究发现了控制油菜细胞核雄性系统7365ABC的关键的不育基因Bnms4b为新形成的嵌合基因,同时解析了其两个恢复基因BnMs3和Bnms4a的遗传机制,这对阐明该雄性不育分子机理和促进新型智能核不育的应用具有重要意义。涂金星教授为该论文通讯作者,夏胜前博士后为论文第一作者。

甘蓝型油菜是重要的芸薹科物种,是人类食用植物油的重要来源之一,为异源四倍体(AACC,2n=38),它是由基本种白菜(AA,2n=20)和甘蓝(CC,2n=18)在大约1万年前通过天然杂交(达尔文的无意识选择),以多起源方式形成,被认为是一个“年轻”的物种。油菜杂种优势利用是培育油菜优良新品种的重要方法,其途径主要有细胞质雄性不育、细胞核雄性不育、自交不亲和、化学杀雄等。自傅廷栋院士1972年发现油菜波里马细胞质雄性不育以来,我国杂交油菜取得了重要的发展。到目前为止,细胞质雄性不育被认为是培育油菜优良杂交种的最重要的途径之一。相对于细胞质雄性不育,细胞核雄性不育具有育性稳定、无胞质负效应、易转育且恢复源广得到优点。甘蓝型油菜细胞核雄性不育系7365A由于能够产生全不育群体,恢复源广,易获得强优势组合,在油菜杂种优势育种中被广泛利用。其育性受两个基因位点控制:N19连锁群的BnaMs3/Bnams3位点和N07连锁群的复等位位点Bnams4a/Bnams4b/Bnams4c共同控制。利用该不育系统已经培育出多个优良的油菜杂交品种,因此,该系统被认为在未来具有巨大的应用潜力。

涂金星教授长期以来从事甘蓝型油菜细胞核雄性不育基因的研究,上世纪90年代在国际上首次开发了与甘蓝型油菜细胞核雄性不育基因BnaMs1连锁的分子标记。本团队前期最先在国际上克隆了油菜核不育相关基因BnaMs1(Yi et al., Plant Journal,2011)和BnaMs3(Dun et al., Plant Journal,2012)。在本次报道的研究论文中,研究人员利用图位克隆的方法,综合利用拟南芥、白菜、甘蓝以及甘蓝型油菜的参考基因组,结合BAC文库以及第二代高通量测序策略,先后历时15年最终克隆了控制油菜核不育系统7365ABC的不育关键基因Bnams4b。研究发现核不育基因Bnams4b是一个新起源的嵌合基因,它起源于460万年前的三个祖先基因的2次外显子重排事件,Bnams4b能影响质体的正常发育、引起花药败育以及叶片和新芽的黄化,为一个有害的新起源基因。该基因是新基因(起源时间较短,通常为几百到几十百万年的基因),且能引起雄性不育以及对植物发育不利,理应在进化上被淘汰掉,因此该基因的存活是一个有趣的科学问题。论文揭示了与Bnams4b共进化且通过“新功能化”形成的抑制基因BnaMs3是其存活下来的原因之一。BnaMs3可在蛋白质水平上恢复其育性,使得该有害基因能保存下来直到人们发现和利用这个基因。另一个抑制基因Bnams4a则通过降低Bnams4b的转录水平来遏制有害基因的表达。另外,Bnams4b也可以引起芸薹科其他植物,比如拟南芥稳定、彻底的雄性不育,并且可以被抑制基因BnaMs3恢复育性,暗示利用这些基因可以在其他物种中构建出稳定的可进行杂种优势利用的雄性核不育系统。总之,本研究揭示了芸苔属植物可在基因组上以新功能化和改变转录水平的方式来阻止由于新形成的嵌合基因导致营养生长和生殖生长的发育缺陷。

相关链接1http://www.plantcell.org/content/early/2016/08/24/tpc.16.00281.full.pdf+html

相关链接2http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-313X.2010.04289.x/full

相关链接3http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-313X.2011.04708.x/full

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