atp1基因在小麦BNS雄性不育系和自身转换系中的差异表达

atp1基因在植物中是线粒体基因组编码,其产物ATP1是线粒体ATP合酶F1的α亚基,在小麦BNS的雄性不育系和它的转换系中差异表达。为了检测该基因的表达丰度,探讨与BNS不育性的联系,以BNS不育系和它的转换系的幼穗、花药和穗轴等组织为材料,利用实时荧光定量PCR方法,测定和比较该基因在不同组织中的表达水平,结果表明,该基因在各组织中的总表达量比内参甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因表达量高3-4个数量级;在幼穗及各穗轴营养组织中表达量一致;花药与营养组织比较,在不育系四分体和单核期花药中表达均上调;在不育系中,该基因表达量在单核期花药中显著下调。这些结果说明,线粒体atp1基因在小麦中是一个高水平表达基因,在BNS营养组织中组成型表达,在花药中特异性上调表达,在不育系中表达受到抑制,表现显著下调,表明atp1基因的下调表达与BNS不育性有关。

小麦BNS雄性不育基因连锁群分析和主效QTLs初步定位

为初步定位小麦温敏雄性不育系BNS中与不育相关的QTL及其所属连锁群,用BNS及其完全保持系郑麦366的F2为作图群体,建立自交结实率和花粉可育率两个表型BSA池,选用均匀分布在小麦染色体上的710个SSR分子标记,在BSA池中筛选连锁标记,并进行QTL定位,同时用连锁标记引物在BNS DNA中重扩增,扩增产物序列在小麦基因组中进行比对,验证标记所属染色体并分子定位。结果表明,在2对BSA池中共筛选到12个连锁标记,涉及8个连锁群。单标记分析发现,5个连锁标记(Xwmc396、Xwmc517、Xbarc55、Xwmc332和Xwmc752)与不育QTL紧密连锁。用区间分析法分析发现,有2个主效不育QTL,分别为2B染色体上的qBS1(紧密连锁Xwmc332和Xbarc55)和7B染色体上的qBS2(紧密连锁Xwmc396和Xwmc517)。两个主效QTL的LOD值均大于5,贡献率均大于13%,且显性效应均大于加性效应。

小麦BNS雄性不育系小孢子发育形态结构的细胞学观察

采用植物花药染色体涂片方法和碘染色方法对BNS不育系、对应的转换系及与恢复系杂交F1的5个花粉发育时期(四分体期、单核早中期、单核晚期、二核期和花粉成熟期)的小孢子进行细胞学观察.结果表明:BNS不育系四分体正常,花粉能进行第一次核分裂,在二核期及以后出现核消融和空孢,成熟期的不育花粉主要为染败和园败型,转换系可育花粉达50%以上,但典型不育系花药内也有1%左右的可育花粉.这些结果说明BNS属孢子体不育的花粉败育型,不育基因并非绝对控制不育发生.观察结果为BNS败育机制研究提供了重要的败育现象和特征.

基于冬季负积温预测小麦BNS雄性不育系育性的转换率

【目的】建立BNS型雄性不育系育性转换预测模型,为BNS杂交小麦种子安全生产提供预测母本不育系育性的技术方法.【方法】用2014~2018年5a负积温为温度指标,对应年份的自交结实率为育性恢复度指标,检验二者之间的相关性,在相关分析的基础上建立预测模型.【结果】10月9日正季播期的BNS,负积温与自交结实率之间相关性达显著水平,相关系数r=-0.9302*.用该相关关系建立回归模型,得到Y1=-0.3186-0.1684X1*,和Y2=0.727EXP(-0.0469X2)**两个回归方程.用该两个回归方程预测2020年度BNS的自交结实率,Y1=0.91%,Y2=1.02%,2020年实际套袋自交结实率为0.63%±1.38%,预测结果与实际结果差异不显著,表明回归模型预测可信.【结论】该预测模型在2月下旬零下温度结束后即可作出预测,时间早,结果准确,对BNS种子生产体系有重要利用价值.

小麦BNS雄性不育中国春恢复基因的连锁群检测和QTL初步定位

BNS是一个新发现的温敏小麦雄性不育系,有良好的不育性和自身转换性,在杂交小麦利用和不育资源研究中有重要价值。为定位BNS的恢复基因,首先以BNS的高恢复系中国春为材料,创建BNS×中国春F2作图群体,建立自交结实率和花粉可育率两个表型BSA池;然后用中国春缺体-四体系检测恢复相关连锁群;最后用这些连锁群上的SSR分子标记筛选BSA池,用检测的连锁标记筛选F2作图群体,进一步定位恢复基因的QTL位点。结果表明,用BNS与中国春缺四体杂交,根据F1不育性检测到4个相关连锁群,分别是1A、1B、2B和7B;利用4个相关连锁群和4个非相关连锁群共8个染色体上的222对SSR分子标记筛选2对共4个BSA池,结果在3个相关连锁群上检测到8对连锁标记;用这8对连锁标记筛选F2群体210个个体植株,检测到5个QTL位点,位于1A、1B和2B染色体上。这些位点中,1个与自交结实率相关,2个与两个表型均相关,是主效QTL位点,另2个与花粉可育率相关,是微效QTL位点。这些结果为BNS恢复基因分子标记选择和精细定位奠定了基础。

小麦BNS雄性不育系及其转换系花药差异蛋白鉴定与分析

BNS是一个新发现的温敏核型小麦雄性不育系,它有良好的不育性和转换性,被认为在小麦杂种优势利用上有重要价值。为探讨BNS的不育机制,以不育系及其转换系的单核早期、单核晚期到二核期花药为材料,用2-DE和MALDI-TOF-MS方法分离鉴定2个系的差异蛋白。结果发现,在转换系中,ATP合酶α和β亚基、胞质苹果酸脱氢酶、线粒体醛脱氢酶亚基、Rubisco亚基等呼吸、光合能量代谢蛋白表达丰富,但在不育系中这些蛋白缺失或下调。在不育系中还分离出山梨醇脱氢酶、组蛋白H2B.2、Harpin诱导子1、延伸因子TU等非小麦正常代谢蛋白。根据这些差异蛋白的功能,推测ATP合酶α、β亚基蛋白最可能是BNS不育的源头蛋白,它的表达可能受其上游的温度感应子调控。BNS的温度感应子隐性突变后转录启动温度阈值上调,在较低温下,α、β亚基基因不表达或表达量小,导致ATP合酶数量减少,继而影响ATP合成。ATP数量减少,使小孢子ATP供应短缺,进一步影响到小孢子的发育,使代谢异常,花粉败育。

小麦BNS雄性不育系晚霜冻抗性和低温不育特性观察

BNS是一个低温敏感型小麦雄性不育系,穗分化期间8℃以下低温可诱导其花粉败育。为了持续观察BNS的不育特性,于2017年秋季分期播种了BNS及其保持系郑麦366。2018年4月5日至6日该地区发生晚霜冻,草面温度-1.7℃,许多小麦品种受到冻害。抽穗后,观察BNS和郑麦366两个材料的冻害特征、穗分化进程和自交结实率,结果发现,10月9日正季播种的郑麦366冻害严重,受冻株率超过75%,11月18日播种的郑麦366未受冻;10月1日和11月17日播种的BNS未受冻,期间的5个播期均出现轻度冻害,受冻株率3.7%~5.4%;郑麦366和BNS两个品种冻害发生的温度敏感期均为药隔期至减数分裂期,并且冻害组织单位是整小穗,而非小花;10月1日和9日播种的BNS自交结实率分别为5.08%和10.41%,高于过去年份的结实率水平,分析发现是霜冻发生前12 d连续15℃以上高温所诱导;BNS对低温敏感始于雌雄蕊分化始期,1周左右即可完成不育诱导,此后高温仅转换少部分小花为可育,后来的霜冻强低温也未能恢复BNS为完全不育。

冬春温度变化对小麦温敏雄性不育系BNS的育性转换影响

BNS是一个主体受温度控制的新型小麦雄性不育系,表现为花粉发育在低温下(<8℃)不育,高温下(>12℃)可育。BNS不育性稳定,但年份间常有波动,一些年份自交结实率上升显著。为了弄清楚BNS育性波动的原因,连续3a观察不同播期的BNS穗分化过程,分析连续6a调查的BNS自交结实率与对应年份的冬春温度变化,结果发现,冬季和春季温度的改变显著影响BNS的自交结实率。一般规律是,暖冬年份自交结实率低,寒冬较高,暖春年份自交结实率高,寒春较低。该现象的形成主要是BNS冬季生长发育速度所致,暖冬年份BNS冬季仍保持生长,到春季时完成温度敏感期前的发育,较早进入温度敏感期,此时的春季温度较低,因此BNS不育;然而在寒冬年份,BNS停止生长,春季需生长一定时间才进入温度敏感期,进入时气温已较高,因此诱导育性转换,自交结实率增高。BNS冬季生长发育速度在穗分化观察中得到验证。该机理解释了不同年份BNS自交结实率的波动,并根据冬春温度可预测BNS的育性转换。

15℃以上平均气温显著影响温敏雄性不育小麦BNS的育性转换

BNS是一个对温度敏感的小麦雄性不育系,敏感期低温表现不育,高温恢复可育。2014/2015年度小麦生育期间温度相对较高,但BNS的自交结实率比温度相对较低的2011/2012年度低50%以上。为探讨该现象产生的原因,对近4a(2012-2015年)小麦生育期的温度走向,以及温度与BNS自交结实率的关系进行分析。温度走向结果分析表明,不同冬、春温度变化显著影响BNS结实率,暖冬和寒春易降低结实率,寒冬和暖春可提高结实率。这些结果对BNS的影响可能是,暖冬穗发育加快,进入感温期早,再遇正常年份或暖春,育性转换完成快,结实率高,反之结实率低。2014/2015年度属典型暖冬和寒春气候特点,故BNS结实率严重下降。相关分析结果表明,BNS的自交结实率与播种-抽穗的各积温因子均呈负相关,而与翌年3月1日-抽穗的平均温度≥15℃有效积温和平均温度≥15℃的累积日数呈显著正相关;BNS育性转换的温度阈值为12℃,15℃以上温度对自交结实率影响显著;用两个正相关显著的温度参数建立的回归方程可预测BNS自交结实率。研究结果表明,15℃以上平均气温显著影响温敏雄性不育小麦BNS的育性转换,平均温度≥15℃有效积温和平均温度≥15℃的累积日数是两个重要的BNS育性转换温度因子参数。

小麦BNS雄性不育显性遗传方式的观察与分析

BNS(Bai-Nong sterility)是一个对温度敏感的小麦雄性不育系,有完全的不育性和高自身转换性,在小麦杂交育种中有重要利用价值。为探讨该不育系的遗传方式,用该不育系与455个正常可育小麦品种杂交,结果发现F1代套袋自交结实率从0到91%非正态连续分布,平均值24.52%,其中与BNS自交结实率相同的高不育组合占总组合数的15.42%,达到父本育性水平的高恢复组合占0.88%,其余是由低到高的部分不育组合。用F1典型不育组合正反交,结果发现反交组合自交结实率虽提高显著,但远不达可育水平,仍是不育类型,表明BNS是核不育,不是质核互作不育。在核不育模式下,由于F1有大量不育组合,表明BNS的不育性在F1具有显性特征,由于F1也有完全恢复组合,表明这些组合的父本中有恢复基因,且是非等位的。因此,BNS的不育性应是显性不育和非等位显性恢复的遗传模式。用F1典型不育组合的F2估计不育主效基因是2对,典型恢复组合F2估计恢复主效基因也是2对。在2对显性不育基因和2对显性恢复基因的核遗传方式下,推断BNS、不育保持父本、不育恢复父本的基因型,然后用自交法和测交法检测后代分离,其中测交法用BNS测交可育组合的F1基因分离,用无恢复基因的“郑麦366”测交不育组合F1基因分离,4年共观察了16个F2自交组合,20个Ft测交组合,结果表明,F2和Ft的自交结实率不育与可育分离比与理论期望分离比均吻合,说明BNS的“显性不育和非等位显性恢复”遗传模式成立。

ATP合成相关基因在小麦BNS不育系育性转换中的差异表达

为了探讨ATP合酶α亚基和腺嘌呤磷酸核糖基转移酶(APRT)与温敏雄性不育系BNS育性的联系,利用荧光实时定量PCR方法,在花药发育的4个重要时期(四分体期、单核期、二核期和三核期),定量检测ATP合酶α亚基和APRT相关基因在不育及可育条件下花药中的mRNA表达水平。不育条件下,ATP合酶α亚基基因从四分体到二核期表达量持续下降,与可育株相比在单核期表达量显著下降;APRT1在4个时期的表达量低于其在相应可育条件下的表达量,而APRT2基因在BNS不育和可育条件下维持较低的表达水平。APRT相关基因表达量在三核期均有较显著提高,且可育条件下比不育条件下提高更明显。因此认为,ATP合酶α亚基基因与BNS育性转换密切正相关,APRT基因在三核期转录水平的变化与BNS育性转换有一定关系。

两系小麦BNS花粉育性与气象因子的关系

为探讨小麦温光敏不育系BNS花粉育性转化规律,2009年9月至2010年5月采用分期播种试验,测定了不同播期的小麦花粉育性,同时对其花粉育性与气象因子的关系进行了分析。结果表明:BNS花粉育性随播期的推迟而变化,出现了从完全不育到可育的育性转换过程,11月10日前播种花粉败育率为95%以上,表现为高度不育,11月10日、11月18日和11月26日播种,育性处在转换期,随播期推迟花粉败育率逐渐降低;BNS的花粉败育率与抽穗前10～15 d的平均温度和抽穗前7～15 d的平均最低温度呈极显著负相关;低温是影响BNS育性转换的主要因素,表现低温不育,高温可育,当温度低于8.9℃时表现彻底不育,此后随着温度的升高花粉败育率逐步降低;BNS的花粉败育率与抽穗前10～15 d的日照时数呈极显著负相关。BNS花粉育性与温度和日照时数有极显著相关性,且其温度的影响大于日照时数的影响。

小麦转录因子基因TaERF7的克隆及其表达分析

温光敏核不育小麦(Triticum aestivum)百农不育系(Bainong sterility,BNS)是一种良好的小麦杂种优势利用材料,利用其低温不育、高温可育的特性可以实现“两系法”杂交小麦育种。该研究为找到BNS育性转换的关键基因,从已有BNS不育和可育花药的基因芯片数据中,鉴定得到表达存在差异的TaERF7基因,并通过设计引物克隆了TaERF7的cDNA和启动子序列,采用qRT-PCR分析TaERF7对不同温度和光照的响应。结果显示:(1)生物信息学分析表明,TaERF7基因的CDS区有660 bp,编码219个氨基酸;TaERF7蛋白含有AP2结构域和2个EAR基序,属于第二类乙烯响应因子(Ethylene response factor,ERF);TaERF7的氨基酸序列与拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtERF4同源,可能是一种转录抑制因子;TaERF7启动子区含有多个光响应和低温响应的顺式作用元件。(2)qRT-PCR结果表明,TaERF7在BNS的不同组织与器官中均有表达;在长日照(14 h)下,TaERF7在BNS中的表达量下调约0.47倍,而在短日照(10 h)处理下,TaERF7在BNS中的表达量上调约1.14倍;4℃的低温处理使TaERF7表达量在2 h内上调了约25.7倍,并且在48 h内一直保持较高的水平,而在37℃下虽然可以使TaERF7表达量在1 h内上调约0.71倍,但2 h后便急剧下调,到12 h时其表达量与对照相比已下调了约0.85倍。该研究结果初步证明,TaERF7基因可能特异性结合下游基因启动子的GCC box、DRE和CRT元件,调控下游基因的表达,从而影响了BNS的育性。