[目的]"三系"法是选育杂交大豆的主要途径,但恢复系中仅有少数大豆恢复基因被克隆,为挖掘更多新恢复基因,从而促进多基因聚合的强恢复系选育,提高杂种F1 的育性稳定性.[方法]以大豆细胞质雄性不育系JLCMS5A和其恢复系JLR2 为材料,采用转录组测序技术分析JLCMS5A和JLR2 花蕾不同时期的转录水平变化,挖掘调控育性恢复和花蕾发育进程的相关基因和通路.进一步对具有恢复基因特征编码PPR(pentatricopeptide repeat)蛋白的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)进行基因注释、序列差异分析、RT-qPCR验证、系统进化分析及蛋白结构预测,挖掘育性恢复相关基因.[结果]转录组测序鉴定到 17 181 个DEGs,其中有 3 856 个DEGs与发育时期相关,2 808 个DEGs与育性相关.GO(gene ontology)功能注释表明,与育性相关的DEGs主要富集在ADP结合、核酸结合转录因子活性和蛋白激酶活性等功能类别,与发育时期相关的DEGs主要富集在蛋白质异源二聚化活性、DNA复制和DNA结合等功能类别.KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析表明,育性相关DEGs主要参与内质网蛋白质加工、葡萄糖苷酸生物合成和植物激素信号转导等与蛋白质、糖类和信号转导密切相关的代谢通路,发育时期相关DEGs主要参与DNA复制、错配修复、淀粉和蔗糖代谢等与细胞分裂和能量物质降解密切相关的代谢通路.育性恢复候选基因分析发现,JLR2 中的Glyma.09G176400可能在调控大豆细胞质雄性不育育性恢复过程中起到一定作用.[结论]共鉴定到 3 856 个与发育时期相关的DEGs,2 808 个与育性相关的DEGs;鉴定出具有恢复基因特征编码PPR蛋白的DEGs 15 个;挖掘了 1 个育性恢复相关基因Glyma.09G176400.

杂种优势利用是显著提高作物产量的主要途径,有助于解决日益增长的人口数量与有限耕地之间的矛盾.大豆作为世界上重要的粮油饲兼用作物,其开展杂种优势利用已有30余年.其中,基于细胞质雄性不育的三系法杂交育种系统是大豆杂种优势利用的主要途径.目前,已有40余个杂交大豆品种通过审定并在生产上推广应用,杂交大豆正处于由中试向产业化推进阶段.本文对大豆细胞质雄性不育遗传基础与育种应用进行了综述,系统阐述了各类型细胞质雄性不育系的发现及利用、不育性状的遗传和分子机制、育性恢复基因和恢复抑制基因的定位和克隆等方面的研究进展.基于大豆杂种优势利用研究现状论述和分析,提出了三系法杂交大豆育种中存在的问题、挑战及解决路径,并对三系法杂交大豆育种技术的创新进行了展望,旨在为大豆杂种优势分子基础和应用研究提供新方法、新思路.

[目的]探索大豆细胞质雄性不育弱恢复型杂种F1 育性转变在RNA水平上的分子机制,以期从育性转变的角度为大豆细胞质雄性不育的分子机理提供有价值的信息.[方法]以弱恢复型杂种F1(H3A×SXTH3)为研究对象,设置苗期短光照(植株育性不育)和正常光照(植株育性可育)处理,在盛花期分别采集不同大小的混合花芽进行转录组测序和RT-qPCR分析.[结果]筛选出 3 917 个差异表达基因,苗期短光照处理后,2 134 个基因下调表达,1 783 个基因上调表达.对差异表达基因进行生物信息学分析,GO显著富集分析表明,碳水化合物代谢过程、跨膜转运活性和细胞外围等功能在育性转变中行使着主要生物学功能;KEGG通路显著富集分析表明,戊糖葡萄糖醛酸的相互转化、淀粉蔗糖代谢和植物昼夜节律等通路为育性转变的主要代谢通路.11 个基因的RT-qPCR分析发现,大豆细胞质雄性不育相关基因和PPR基因参与了大豆细胞质雄性不育弱恢复型杂种F1 育性转变过程.[结论]推测大豆细胞质雄性不育弱恢复型杂种F1 育性转变与植物昼夜节律、PPR和大豆细胞质雄性不育相关的线粒体、花粉壁发育、碳水化合物代谢、糖转运和活性氧代谢等基因的异常表达相关,当昼夜节律通路的关键基因变化,引起PPR基因和大豆细胞质雄性不育相关基因的表达水平变化,将会发生育性转变.

[目的]植物线粒体基因变异是产生细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility,CMS)的主要原因,利用生物技术是创造CMS不育系的重要手段.通过比较启动子、线粒体转运信号肽(mitochondrial targeting signal peptides,MTS)的不同组合对下游eGFP的表达强弱,来探究最佳马铃薯线粒体靶向表达载体.[方法]选择 3 个启动子AtUBI10、StUBI10、2×35S和两个线粒体转运信号肽ATPγ与Rf1b进行试验,利用烟草叶片瞬时表达系统和PEG介导马铃薯原生质体转化体系进行靶向载体的表达验证.[结果]六个线粒体靶向表达载体中AtUBI10::ATPγ-eGFP在烟草瞬时表达效果最佳,可准确定位到线粒体,其次为StUBI10::ATPγ-eGFP和 2×35S::ATPγ-eGFP;在马铃薯原生质体中载体AtUBI10::ATPγ-eGFP有最佳的表达效果,与烟草中表达结果一致,其次是StUBI10::Rf1b-eGFP和AtUBI10::Rf1b-eGFP,而 2×35S启动子的两个载体在原生质体均表达较弱.[结论]启动子AtUBI10 与线粒体转运信号肽ATPγ所构建的靶向线粒体载体为最佳组合,可用于马铃薯线粒体基因的相关研究中.

十字花科菘蓝为我国大宗常用中药材植物,其叶和根分别是大青叶和板蓝根的原料.本文总结了菘蓝的基因组结构、生物活性成分及其生物合成途径、远缘杂交及新材料创建等方面的研究进展.菘蓝(2n=2x=14)的基因组大小为300Mb,为tPCK核型,3万余蛋白编码基因.高质量的基因组测序解析了菘蓝的主要生物活性成分吲哚生物碱、苯丙烷类、萜类的合成途径及其候选基因.由于染色体消除,菘蓝(父本)与白菜及甘蓝型油菜的族间有性杂交只产生了具有少数菘蓝遗传成分的非预期杂种.菘蓝与萝卜的体细胞杂种具有双亲染色体,但自交及回交均未产生后代.菘蓝与白菜的体细胞杂种具有加倍的菘蓝染色体组,花粉部分可育而雌性不育.菘蓝与甘蓝型油菜的体细胞杂种与甘蓝型油菜连续回交后创建了全套的7个甘蓝型油菜-菘蓝附加系,一些附加系具有比菘蓝更强的广谱抗病毒效果;体细胞杂交中发生的双亲线粒体基因组重组导致甘蓝型油菜新细胞质雄性不育系的产生,菘蓝特定染色体上的育性基因导入培育了恢复系.最后讨论了这些附加系对菘蓝遗传研究的价值及开发利用前景.

在大豆杂种优势利用中,主要基于三系法进行杂交大豆品种选育.恢复系作为杂交种的父本,其所含的育性恢复(Rf,restorer-of-fertility)基因起决定作用.前期对大豆RN型细胞质雄性不育恢复系的育性恢复基因GmRf1进行了精细定位.本研究在此基础上,对GmRf1定位区间内的候选基因进行功能注释、亚细胞定位预测、序列比对和差异表达分析,明确了Glyma.16G161900基因在恢复系JLR230中所编码的1个576个氨基酸的PPR(Pentatricopeptide repeats)蛋白为GmRf1.进一步对含有GmRf1的对照材料Williams82与母本不育系JLCMS204A进行测交及F1植株花粉育性鉴定,验证了 GmRf1可以恢复CMS-RN型不育系育性.最后利用GmRf1在亲本间存在的单核苷酸突变位点,开发了功能性分子标记Rf1-dCAPS-2和Rf1-dCAPS-3.上述研究将为今后通过分子标记筛选或辅助选育含GmRf1基因型材料,以及通过基因工程手段创制新型恢复系奠定了理论和技术基础.

植物细胞质雄性不育是一种广泛存在于高等植物中的母性遗传性状.细胞质雄性不育不仅为研究核质互作提供了良好材料,同时也是植物杂种优势利用的重要基础,其分子机理是目前研究的重点.多种研究证据表明,线粒体基因与细胞质雄性不育密切相关.随着分子生物学和分子遗传学的不断发展,许多植物的恢复基因已经被定位和克隆,进一步阐明了植物细胞质雄性不育和育性恢复的分子机理.本文综述了近几年植物中细胞质雄性不育和育性恢复相关基因的研究进展,并探讨了细胞质雄性不育/育性恢复系统在育种方面的应用.

植物细胞质雄性不育(CMS)是广泛存在于自然界中的现象,主要表现为不能产生有功能的花粉从而导致不能正常受精结实的自然现象.CMS的起因源于受植物细胞质基因的影响表现出雄性不育的特征,目前研究表明为线粒体的基因引起的雄性不育.相应地,细胞核中存在某类基因能够编码一种蛋白使其育性得以恢复,这一类基因称为育性恢复基因(Rf genes).杂交水稻的生产依赖于CMS的发掘和利用,并且这也是农作物增产的一条有效途径.迄今为止,水稻中CMS和育性恢复的相关研究较多,机理阐述相对比较深入,本文主要介绍水稻CMS及育性恢复基因的研究及CMS和育性恢复机理的最新研究进展,希望能为揭示水稻CMS与育性恢复机制以及其他作物的CMS/Rf研究提供参考,为新型杂交水稻的培育提供新思路.

玉米是杂种优势利用最成功的作物之一,采用细胞质雄性不育(CMS)进行玉米杂交种生产已成为杂种优势利用的有力工具.CMS是由于细胞质和细胞核的基因表达产物的不协调而产生的不育性,可被核基因组中的恢复基因恢复.根据育性恢复专效性,玉米CMS材料主要分为T、C和S三种类型.综述了这三种类型不育及其恢复基因的研究进展,分析了在不育化制种中的应用情况.

雄性不育是植物雄性细胞或生殖器官丧失生理机能的现象,该现象的利用大大提高了杂交种生产的效率.植物雄性不育包含细胞质雄性不育、不受环境影响的核雄性不育、光温敏型雄性不育及化学诱导的雄性不育.这些不育类型也已经被以三系或二系的方式应用于很多作物的杂交种生产中.综述了雄性不育各个途径的研究进展及其在作物杂种优势中的应用.