茎用芥菜细胞质雄性不育相关基因的克隆及机制研究

【摘要】：中国芥菜(Brassica juncea Coss.)是我国的特产蔬菜,在我国南北方都有种植,尤其是浙江、四川等地有广泛的栽培,是世界著名的腌菜之一,经济价值比较大,是重要的加工蔬菜。芥菜以其富含营养成分著称,丰富的维生素、氨基酸、抗氧化物质以及多聚不饱和脂肪酸等等,深受人们的喜爱,然而,生产上确存在许多问题,如病毒病及品质差等,严重影响生产实践。杂种优势的利用往往可以在一定程度上解决这些问题,由于芥菜类作物自交亲和指数非常高,生产上很难利用自交不亲和系进行杂种优势利用,因此,一直以来,雄性不育性是芥菜类作物杂种优势利用的重要途径。细胞质雄性不育由于其可以获得100%不育度和不育率的材料,因此,在中国芥菜优势育种中有着广阔的应用前景。陈竹君、张明方等(1993,1995)通过远缘杂交和回交的方法选育了综合经济性状优良的茎用芥菜细胞质雄性不育系(cytoplasmic male sterility,CMS系),并开始应用于生产。 细胞质雄性不育分子机制的研究,不仅可从理论上阐明线粒体基因组和核基因组的互作关系,研究高等植物的生殖发育等,也为对线粒体基因组基因进行分子生物学操作及今后利用基因工程创造雄性不育新种质及寻求缩短胞质不育选育的进程与途径提供理论依据。本研究以茎用芥菜细胞质雄性不育系及其保持系为材料,通过比较研究,寻找与茎用芥菜细胞质雄性不育相关的基因,并研究不育性产生分子机理,从线粒体基因组与核基因组互作角度阐明不育性产生的途径,主要结果如下: 1 通过同源克隆方法克隆到了茎用芥菜胞质不育候选基因orf220(Genebank注册号AY208898),进一步分析表明,orf220基因推定编码膜相关的蛋白质,在氨基酸水平上,与orf222、orf224和orf138等芸薹属中发现的不育相关基因推定的氨基酸同源性分别为74%、76%和38%,此外,orf220推导的蛋白氨基端序列与Oenothera berteriana中的COXⅢ(线粒体细胞色素氧化酶复合体亚基)、萝卜中的ATP8(线粒体ATP酶复合体亚基)以及向日葵中的ORFB(ATP酶复合体α亚基相关)蛋白氨基端序列同源性也非常高。orf220基因在茎用芥菜胞质不育系中为低拷贝基因,在根、叶、花蕾及开放的花中都有表达,无器官特异性。 2 通过对茎用芥菜胞质不育系及其保持系线粒体基因组的比较研究,发现了线粒体atpA基因在不育系及其保持系之间存在明显差异。保持系中atpA基因2269bp长,推定编码507个氨基酸,具有ATP酶复合体典型及活性必要的结构域(Genebank注册号AY211266),进一步分析表明,保持系atpA基因推定编码的氨基酸序列比较保守,甚至与水稻中atpA基因推定编码的氨基酸同源性为90%,进化角度分析表明,茎用芥菜中克隆的atpA基因与在芜菁、萝卜、甘蓝