探秘油菜 1205A 新型自然雄性不育突变分子机制：解锁杂种优势密码

为解决油菜雄性不育机制不明及生产应用难题，贵州大学等研究人员开展对新型自然 genic male - sterile（GMS）突变体 1205A 的研究。通过多种实验，定位了不育基因 Bna1205ams1，确定候选基因 BnaC03g27700D，揭示其与代谢关联。为植物雄性不育研究和应用提供了新方向。

　　在农业生产的大舞台上，油菜（Brassica napus）无疑是一位 “明星选手”，它是全球重要的油料作物，为人们提供丰富的植物油。杂交育种技术的出现，更是让油菜产量大幅提升，在中国，杂交油菜种子的种植面积占比超过 70%。然而，在油菜杂交育种的进程中，仍存在一些亟待解决的问题。

目前，细胞质雄性不育（CMS）和核基因雄性不育（GMS）是油菜杂交育种中控制授粉的两大主要系统。其中，CMS 应用广泛，但 GMS 因其纯合稳定的雄性不育特性，不受细胞质因素影响，且能简化育种流程，从三系系统转变为两系系统，受到了育种家们的关注。不过，尽管 GMS 在油菜杂交生产中有所应用，但其雄性不育的机制却大多不为人知。而且，在维持 msms 系时，会出现 50% 的雄性可育植株，这给商业杂交种子生产带来了很大的挑战。

为了深入探究油菜雄性不育的奥秘，贵州大学农学院等研究机构的研究人员针对一种新型自然隐性核基因雄性不育（RGMS）突变体 1205A 展开了研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为解决油菜雄性不育相关问题提供了新的思路和方向。

研究人员采用了多种关键技术方法。在材料选择上，利用从育种系 1205 中发现的自发突变体 1205A，建立了 1205AB 和 NT7G132AB 两个两系杂交生产系统。实验过程中，运用石蜡切片分析、花粉育性检测等技术，观察花药和花粉的发育情况；通过区域连锁映射、DNA 文库构建和 BSA - Seq 分析等方法，对雄性不育基因进行定位；开发并验证 KASP 标记，用于精细定位基因；进行 RNA 提取和 qRT - PCR 分析，确定候选基因的表达情况；构建蛋白 - 蛋白相互作用网络，分析基因间的相互关系；开展差异代谢物分析，探究代谢变化与雄性不育的关联。

研究结果如下：

1. 雄性不育起始时期：通过对 NT7G132AB^Bna1205ams1和 NT7G132B^Bna1205ams1不同大小花蕾的花药和花粉发育进行观察，发现雄性不育在花蕾发育早期的小孢子阶段就已开始出现。此时，花药开始变形，随后逐渐萎缩、退化，花粉也无法正常发育成熟。
2. 雄性不育由单基因位点决定：对多个群体进行分析，包括 1205AB - 2016、1205AB - 2017、1205AB - 2018 以及 NT7G132AB - F₃、NT7G132AB - F₄等群体，发现这些群体中可育与不育植株的分离比均符合 1:1，表明 1205A 的雄性不育受一个基因位点 Bna1205ams1 调控。并且，对 1205B 和 NT7G132B^Bna1205ams1中可育植株的花粉育性评估显示，它们的花粉育性均接近 100%，证明这些可育植株完全可育。
3. 雄性不育基因位点的定位：利用区域连锁映射，研究人员使用 1272 对 ILP 引物筛选，最终将 Bna1205ams1 基因定位到油菜 C03 染色体上。同时，采用 BSA - Seq 分析，进一步验证了该基因位于 C03 染色体上的一个 3.54 Mb 区域（15.36 - 18.90 Mb），此外还在 C04 染色体上发现了另一个与雄性不育基因位点相关的区域。之后，通过开发和验证 KASP 标记，将 Bna1205ams1 基因所在的 QTL 区域精细定位到 C03 染色体上的一个 181.47 kb 片段。
4. 雄性不育候选基因的确定：对精细定位区域内的 22 个基因进行 qRT - PCR 分析，发现 BnaC03g27600D、BnaC03g27670D 和 BnaC03g27700D 这三个基因在至少一个发育阶段表达水平存在显著差异。其中，BnaC03g27700D 在 1205A 基因型的花蕾 SM、M 和 L 阶段表达水平显著高于 1205B 基因型。结合功能分析，该基因对应的拟南芥等位基因 At5g50260（CEP1，半胱氨酸内肽酶 1）在绒毡层程序性细胞死亡（PCD）和花粉发育调控中起重要作用，因此 BnaC03g27700D 被认为是 Bna1205ams1 的候选基因。
5. 亚细胞定位和蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析：将 BnaC03g27700D 基因克隆到载体并导入拟南芥进行亚细胞定位分析，发现该蛋白主要定位于细胞核，在膜上也有微弱信号，推测其可能位于内质网。构建该基因的蛋白质 - 蛋白质相互作用网络，发现与它相互作用的基因中，BnaC03g29860D（APA3）和 BnaC07g33540D（RD19C）最有可能参与雄性不育的遗传调控。
6. 雄性不育基因突变引起的代谢波动：对 NT7G132A^Bna1205ams1和 NT7G132B^Bna1205ams1不同发育阶段的花蕾进行代谢组分析，共鉴定出 784 种正离子模式（POS）和 569 种负离子模式（NEG）的代谢物。发现不育基因型和可育基因型之间存在 200 种差异代谢物（DMs），这些差异代谢物主要与脂质和脂质类分子相关。并且，BnaC03g27700D 的表达水平与 13 种特定代谢物存在显著相关性。

研究结论和讨论部分表明，该研究不仅成功定位和鉴定了油菜 1205A 雄性不育的相关基因和代谢变化，还为植物雄性不育的研究和实际应用提供了重要的理论依据。例如，研究中开发的 KASP 标记为大规模筛选可育植株提供了可能；对雄性不育机制的深入了解，有助于进一步优化油菜杂交育种技术，提高育种效率，为油菜产业的发展注入新的活力。同时，该研究也为其他植物雄性不育的研究提供了参考范例，推动了植物生殖生物学领域的发展。