通过棉花转录组分析揭示导致雄性不育的关键基因和分子机制

《Plant Cell Reports》：Key genes and molecular mechanisms responsible for male sterility revealed by transcriptome analysis in cotton

棉花雄不育线Nan A形成正常微核四分体但花粉发育缺陷，细胞学结合转录分析揭示花药特异性基因GhCYP450下调及GhPHD-D上调与雄不育相关，而应激相关基因下调。通过基因沉默或过表达可诱导雄不育，表明花药/花粉发育基因适时表达对雄性不育起决定作用。

　　

摘要

关键信息

一个新的雄性不育系Nan A能够形成正常的微孢子四联体，但其花粉发育存在缺陷。雄蕊中与生育能力/应力相关的基因失调导致了棉花的雄性不育。

摘要

棉花表现出显著的杂种优势，因此鉴定基因型雄性不育（GMS）基因对于揭示控制雄蕊和花粉发育的分子机制至关重要，并有助于开发基于生物技术的雄性不育系统以用于商业杂交种子生产。在这里，我们对单基因隐性GMS系Nan A及其近等基因型可育雄性系Nan B的雄蕊进行了细胞学和转录分析，进一步验证了两个与雄性不育相关的基因的功能。Nan A的雄蕊花丝较短，产生的花粉不育，其特点是花粉内部淀粉颗粒皱缩，nexin沉积延迟，花粉外壁表面无刺，且无法开裂。在Nan A中，一些仅在雄蕊中表达的基因表达上调；而在其他植物物种中，这些基因的同源基因的功能丧失突变体会表现出雄性不育。相比之下，一些与应力相关的转录激活蛋白基因在Nan A中表达下调。通过沉默仅在雄蕊中表达的GhCYP450基因（该基因在Nan A中表达下调）或过表达GhPHD-D基因（该基因在Nan A中表达上调），可以使野生型植株变为雄性不育。我们的结果表明，雄蕊和/或花粉发育基因的适时表达对雄性生育能力至关重要。