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棉花遗传改良团队揭示高温诱导雄性不育新通路
作者:李焱龙编辑:黄玮审核:闵玲发布时间:2022-05-11

南湖新闻网讯(通讯员 李焱龙)近日,亚博取款曝顾秒到账棉花遗传改良团队在Plant Physiology发表题为“High temperature induces male sterility via MYB66-MYB4-Casein kinase I signaling in cotton”的研究论文。该研究发现了一条由GhMYB66-GhMYB4-GhCKI组成的新遗传通路能在高温下调控棉花的雄性育性,为后续培育出抗高温种质提供了理论基础。

温室效应导致全球气温不断升高,高温胁迫已成为农作物生产的重要制约因素。棉花是重要的经济作物,其生殖发育期正是夏季高温期,容易因高温胁迫而造成减产。减产的主要原因是高温引起的雄性不育,因此深入解析雄性生殖器官对高温的敏感性机理对耐高温育种至关重要。

前期该团队鉴定到一个在棉花花药中响应高温胁迫的I型酪蛋白激酶基因(GhCKI),该基因在耐高温材料中表达不受高温诱导,但在敏高温材料花药中受高温诱导提前表达(Min et al., 2013 Plant J; Min et al., 2014, 2015 Plant Physiol; Li et al., 2018 Plant Mol Biol; Li et al., 2021 BMC Plant Biol),然而对于导致GhCKI在耐/敏高温棉花材料高温下存在不同的表达模式的上游调控机制尚不清楚。作者首先发现在耐/敏高温棉花材料中GhCKI的启动子不存在序列及DNA甲基化修饰的差异,推测可能存在上游转录因子的调控。进一步通过GhCKI的启动子逐步截短实验鉴定到GhCKI启动子上存在响应高温的核心区域,该区域包含两个MYB结合位点,通过分子手段鉴定到GhMYB4可以通过与GhCKI启动子上响应高温的核心区域中的两个MYB结合位点的结合来激活GhCKI的表达。当突变掉GhCKI启动子上两个MYB结合位点后,GhCKI的表达不再受高温诱导在花药中提前表达,此结果为创制耐高温棉花种质提供了编辑靶点(图1)。

图1. GhMYB4结合GhCKI的启动子并激活其表达

图1. GhMYB4结合GhCKI的启动子并激活其表达

通过原位杂交和QRT-PCR实验,发现GhMYB4受高温诱导在敏高温材料花药发育前期中的小孢子和绒毡层中高量表达。且在敏高温棉花中超表达GhMYB4后,在常温下会出现类似于高温雄性不育的表型,因此认为GhMYB4是一个高温下维持棉花花药育性的负调控因子。分析发现GhMYB4与GhMYB66存在互作,两者之间形成的异源二聚体可增强GhMYB4与GhCKI启动子的结合能力。GhMYB66与GhMYB4存在有相似的高温诱导表达变化,超表达GhMYB66同样会出现与超表达GhMYB4相类似的雄性不育表型,但GhMYB66不能与GhCKI启动子结合,其表达增加导致的雄性不育并不是直接通过GhCKI来介导的,而是依赖于GhMYB4来影响高温雄性育性,进一步说明GhMYB4在花药响应高温中的核心作用。深入分析GhMYB4,发现在高温下GhMYB4启动子上的siRNA介导的CHH类型的DNA甲基化在花药发育前期会显著减少,而同步的RNAseq数据发现高温下GhMYB4的表达与DNA甲基化在GhMYB4启动子上的变化是协同变化的,说明GhMYB4在高温下的变化可能是由DNA甲基化所调控的(图2)。

图2.高温下DNA甲基化上调GhMYB4表达导致雄性败育

图2.高温下DNA甲基化上调GhMYB4表达导致雄性败育

该研究提供了一条全新的高温调控棉花雄性育性的遗传通路,并发现了两个潜在的能创制耐高温棉花种质的顺式作用位点(图3)。丰富了棉花雄性器官响应高温的理论机制,为创制耐高温棉花种质奠定了基础。

图3. GhMYB66-GhMYB4-GhCKI通路在高温下调控棉花雄性育性

图3. GhMYB66-GhMYB4-GhCKI通路在高温下调控棉花雄性育性

亚博取款曝顾秒到账博士生李焱龙和已毕业博士李耀耀为论文共同第一作者,闵玲副教授为通讯作者,张献龙教授、郭小平教授、朱龙付教授参与了研究设计和文章修改。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和作物遗传改良国家重点实验室开放课题的资助。

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