四种类型甘蓝雄性不育系花药败育特征及基因表达谱分析

摘要

本研究开展了以下四方面的研究工作：　　1.通过树脂超薄切片光学显微镜和电子显微镜观察结合，对黑芥胞质不育(NiCMS)，隐性核不育(RGMS)，萝卜胞质不育(OguCMS)和显性核不育(DGMS)四种甘蓝雄性不育类型进行了全面系统的细胞学败育特征研究； 2.通过cDNA-AFLP技术在转录水平上对花粉发育阻断后所有非正常转录的基因与正常可育材料的基因进行比较分析，探讨雄蕊发育相关基因的发育中断网络和途径； 3.利用8张拟南芥全基因组寡核苷酸芯片(Microarray)全面分析了花药败育过程中所有基因的全局性表达，通过生物信息学手段充分挖掘和利用模式作物拟南芥在雄蕊发育相关基因方面取得的进展，为进一步阐明育性形成的不同功能途径调控网络提供重要的信息和线索； 4.对目前最有应用价值的显性雄性不育的细胞学败育机理和相关基因的功能及调控机理进行深入研究，为最终实现人工调控显性雄性不育育性提供理论依据。 获得的主要结论如下： 1.细胞学研究明确了四种雄性不育类型的主要败育时期和特征：A.黑芥胞质不育主要败育时期为造孢细胞期，主要败育特征为绒毡层细胞分化和发育异常；B.隐性核不育主要败育时期为花粉母细胞期，主要败育特征为绒毡层细胞和中层细胞异；C.萝卜胞质不育主要败育时期在四分体前期，败育特征主要表现为从减数分裂后期开始绒毡层细胞活动异常，绒毡层细胞进行性加厚；D.显性核不育主要败育时期在四分体后期，主要败育特征是小孢子不能自由释放，但花粉壁能正常沉积孢粉素，本实验另一个重要发现是，显性不育败育的直接原因并不是已经发现的包裹四分体的胼胝质壁延迟降解，而是包裹整个四分体的花粉母细胞(PMC)初生壁的持续存在。 2.利用cDNA-AFLP获得113条育性相关的TDFs，结合不同材料败育时期特征分析认为，大部分(67.25％)雄性育性相关基因的表达具有典型的顺序发育特征。提出了甘蓝花药发育相关基因的顺序表达模型，初步揭示了花药发育过程中，多数基因表现为以线性模型在不同时期顺序表达。而E、F、G、H和I等5种表达模式为不符合顺序表达模式的育性相关基因，推测可能是各种孢子体组织独立或与小孢子协调表达的旁路基因。进一步对代表不同类型的23条TDF测序表明；其中16.7％基因参与细胞壁水解酶功能。 3.芯片试验的结果表明，这四种雄性不育类型败育的根本原因都是由于绒毡层的异常干扰了小孢子的正常发育。对胞质不育类型特异下调的三种重叠关系的基因功能分析发现，NiCMS对细胞质内各种细胞器相关基因的干扰要比OguCMS要高，两种胞质不育类型线粒体功能异常对甘蓝发育的影响的分子机制近似于对生理刺激或环境胁迫的应激反应功能的下降或丧失。同时我们筛选出89个药壁组织中特异表达的基因(主要是绒毡层特异表达的基因)。进一步比较药壁组织特异表达的功能基因和花粉特异表达的功能基因，发现药壁组织中转录因子比例较高而激酶类基因比例则较低。 4.初步探讨了显性雄性不育败育的分子机理。其大量差异表达基因是涉及到细胞壁代谢相关的基因或调控细胞壁代谢相关的基因，但直接参与胼胝质降解(β-1,3-葡聚糖酶)的下调基因并不多。表明β-1,3-葡聚糖酶基因的轻度下调可能是胼胝质延迟降解的原因，但胼胝质延迟降解不是(至少不是主要的)显性不育小孢子不能分开的原因。DGMS控制一个与QRT3不同的花粉母细胞壁代谢途径，这个途径包含五个我们检测到的显著下调的多聚半乳糖酶基因。显性雄性不育败育的分子机理可能是：DGMS阻断少量绒毡层特异表达的基因，从而造成花粉母细胞初生壁的持续存在，并最终引发花粉正常发育所必须的大量雄配子体内表达的基因功能网络体系的瓦解。因此，可以推测，这13个可能的绒毡层特异表达的基因应该是DGMS基因功能网络中较上游的基因，也许他们共同受DGMS基因的调控，也许，他们其中之一本身就是我们正在寻找的DGMS基因。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语

独创性声明及关于论文使用授权的声明

第一章前言

第二章不同甘蓝雄性不育花药败育特征分析

第三章利用cDNA-AFLP检测四种甘蓝雄性不育差异基因表达模式

第四章四种甘蓝雄性不育基因芯片表达谱分析

第五章显性雄性不育花药败育机理和相关基因功能调控分析

结论

参考文献

致谢

作者简历