近日，園藝學(xué)院西甜瓜種質(zhì)資源與遺傳育種團(tuán)隊(duì)在《Horticulture Research》在線發(fā)表了題為《Disruption of the bHLH transcription factor Abnormal Tapetum 1 causes male sterility in watermelon》的研究論文。

 

　　西瓜（Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai）是葫蘆科重要的經(jīng)濟(jì)作物，因其果實(shí)汁多味甜、營(yíng)養(yǎng)豐富，在世界范圍廣泛栽培。雜種優(yōu)勢(shì)利用是提高作物綜合農(nóng)藝性狀的主要育種策略，商品種也多采用雜交一代種；而雄性不育系是作物雜種優(yōu)勢(shì)利用和雜交種生產(chǎn)的優(yōu)良材料。然而目前西瓜雄性不育研究基礎(chǔ)還很薄弱，且調(diào)控基因尚未被克隆，不僅阻礙了優(yōu)質(zhì)不育系的創(chuàng)制與應(yīng)用，而且限制了西瓜生殖發(fā)育調(diào)控機(jī)理的研究。

 

　　本研究以課題組鑒定的西瓜雄性不育系Se18為核心材料，通過(guò)細(xì)胞學(xué)特征分析，明確了其敗育的根本原因和關(guān)鍵時(shí)期。遺傳分析表明Se18不育性狀由單隱性基因控制，因Se18絨氈層發(fā)育異常被命名為ClATM1（Abnormal Tapetum 1）。基于圖位克隆策略，將ClATM1定位于Chr06染色體上54.01kb區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間有5個(gè)功能注釋基因。qRT-PCR分析表明，bHLH轉(zhuǎn)錄因子Cla010576在Se18雄花花蕾中顯著下調(diào)表達(dá)；序列分析表明，在Se18中該基因的第二個(gè)外顯子存在10 bp缺失，導(dǎo)致其重要結(jié)構(gòu)域bHLH Interaction and Functional（BIF）缺失；亞細(xì)胞定位表明，ClATM1是一個(gè)核蛋白，無(wú)BIF結(jié)構(gòu)域的截短蛋白ClATM1-10bp的核定位信號(hào)缺失；組織特異性及原位雜交分析發(fā)現(xiàn)，ClATM1在雄花中的表達(dá)量顯著高于其他組織，且在花藥發(fā)育的S6、S7和S8a時(shí)期的絨氈層及小孢子母細(xì)胞中高度表達(dá)。

 

　　基于CRISPR/Cas9技術(shù)，在雄性可育的西瓜種質(zhì)‘YL’中對(duì)候選基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證，獲得兩個(gè)純合編輯株系，均表現(xiàn)為完全雄性不育，且其花藥細(xì)胞學(xué)缺陷與Se18相似。至此，本研究克隆到了第一個(gè)西瓜雄性不育調(diào)控基因ClATM1，首次通過(guò)CRISPR/Cas9和西瓜遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)獲得雄性不育系，為優(yōu)質(zhì)西瓜雄性不育系的創(chuàng)建奠定基礎(chǔ)，具有重大的生產(chǎn)應(yīng)用潛力；基于序列差異，開(kāi)發(fā)了與不育性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記，加速了西瓜雄性不育系的分子標(biāo)記輔助育種應(yīng)用進(jìn)程。

 

　　進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)ClATM1在轉(zhuǎn)錄水平上存在明顯的劑量效應(yīng)，通過(guò)雙熒光素酶、GUS活性檢測(cè)及酵母單雜交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ClATM1可以結(jié)合自身啟動(dòng)子進(jìn)而轉(zhuǎn)錄調(diào)控自身表達(dá)。由此，本研究首次揭示了ClATM1自調(diào)控機(jī)理在花藥發(fā)育中的作用，豐富了bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物生殖發(fā)育過(guò)程中的調(diào)控機(jī)理，具有重要的科學(xué)研究意義。

 

　　園藝學(xué)院已畢業(yè)博士研究生張銳敏（現(xiàn)工作單位山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）為該論文的第一作者，張顯教授和魏春華副教授為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD 0100704）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31701939）、財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-25）等項(xiàng)目的資助。

 

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41438-021-00695-9