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晋鹏

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[交流] [优秀文章推荐]中外科学家成功克隆小麦雄性不育基因Ms1

小麦是全球范围内种植的主要粮食作物，是全球大约30%人口的主要食物来源。全球人口的持续增长、人们生活水平的不断提高和生活质量的持续改善要求小麦产量和质量随之有显著提高。

目前，专家预计提高小麦产量和质量最有效的途径仍然依赖于杂交育种技术创制杂交小麦。小麦是严格雌雄同花、自花授粉作物，杂交小麦种子的研制严格依赖于小麦雄性不育系。目前中国杂交水稻的种植面积大约是水稻总种植面积的40%，而全球杂交小麦的种植面积大约只有小麦总种植面积的0.2%，主要的原因就是没有可用于规模制种的稳定雄性不育系。

小麦雄性不育突变体筛选始于60年前，目前已经筛选到至少5个核基因编码的雄性不育突变体，被命名为ms1-ms5。其中ms1和ms5是隐性突变体，ms2、ms3 和ms4是显性突变体。克隆控制小麦雄性不育基因是利用雄性不育系规模化制备杂交小麦种子的关键。今年以前还没有任何一个小麦雄性不育基因被克隆，但今年开始国内外科学家陆续克隆了小麦Ms2和Ms1基因。

利用禾本科作物的共线性和小麦缺四体材料开发染色体组特异标记进行初步定位，利用F2大群体和高密度芯片进行交换单株筛选，结合共线性数据开发的探针筛选BAC文库，以BAC序列开发标记继续缩小定位区间，整合RNA-SEQ数据，预测目标基因。克隆等位突变序列，比较变异位点表达差异。构建农杆菌双元载体系统进行转基因功能验证，通过组织化学染色和扫描电镜观察花粉不同生育期结构，代谢组学分析花粉化学成分，用于鉴别不育特征。山东农业大学付道林团队和中国农业科学院贾继增团队分别发表了小麦Ms2基因克隆和鉴定工作。由于ms2突变体的显性属性决定了它可以用于小麦育种并成为一个重要育种工具，但它很难用于规模化小麦杂交制种。为此，小麦隐性雄性不育突变体基因的克隆对创制规模化小麦杂交制种体系极为关键。

中外科学家几乎同时报道了小麦Ms1基因的克隆和鉴定工作。首都师范大学马力耕团队和北京大学邓兴旺团队合作报道了克隆和详细鉴定Ms1基因的工作。他们首先根据小麦基因组巨大和复杂的特点建立了一种结合基因组学分析的MutMap和传统图位克隆克隆小麦基因的新方法(命名为MutMap-based cloning)，并利用该方法成功克隆了Ms1基因，进一步通过转基因互补和11个新的ms1等位突变体鉴定分析进行了验证。通过原位杂交实验发现 Ms1基因在小孢子母细胞特异表达，该基因的突变导致小孢子发生过程中有丝分裂障碍。Ms1基因定位在小麦4B染色体上，小麦4A和4D染色体各有一个Ms1同源基因，由于这两个Ms1同源基因启动子被甲基化修饰导致这两个基因在小麦中沉默，而在A和D祖先乌拉耳图小麦和一粒小麦以及AABB四倍体小麦中均有表达，表明在六倍体小麦形成过程中来自A和D基因组中的同源基因表达被沉默，只有Ms1基因特异性地在小孢子母细胞中表达。转化来自D基因组的 Ms1同源基因可以恢复ms1突变表型，表明小麦基因组中Ms1同源基因功能与Ms1基因相同。此外，他们还发现Ms1基因只存在于禾本科植物中，但其它被子植物基因组中存在分别对应于Ms13'和5'序列的基因，表明 Ms1基因是在禾本科植物进化过程中通过基因融合形成的一个新基因。该基因编码的蛋白具有推测的信号肽、跨膜域和脂结合结构域，通过进一步实验证据证明Ms1蛋白定位于质体和线粒体外膜，其中的信号肽负责Ms1蛋白由合成部位转移到内质网，跨膜域负责Ms1蛋白由内质网定位到质体和线粒体外膜；Ms1蛋白特异结合磷脂酸(Phosphatidic acid)和磷酸化的磷脂酰肌醇(Phosphatidyl inositol-phosphates)，表明磷脂酸和磷脂酰肌醇由合成部位内质网转移到质体和线粒体对小孢子发生有重要作用。

该研究是目前第一个对GPI锚定脂质转运蛋白在花粉外壁形成过程中作用的报道，在野生型花药中大量游离的月桂酸和软脂酸是这些孢粉素前体从绒毡层细胞转运给小孢子的过程中发生了错误导致，而正是由于这种错误导致花粉壁的结构缺陷，而的亚细胞定位和在脂质结合中的具体作用尚未阐明。TaMs1克隆验证结果表明该基因位点和Ms2没有同源关系，但Ms4是否和Ms1有关需做进一步研究。对于育种家而言，TaMs1的克隆有助于开发功能性标记在育种材料中进行快速的标记辅助选择。研究不同等位突变基因在不育外显率的差异可以启发育种家利用基因编辑技术创造不同的雄性不育突变体，在不同背景材料中进行快速测试，结合利用TaMs1，构建最佳的杂交组合，发掘杂种优势潜力，提高产量。

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