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最新观点 | 探索玉米花药发育的关键阶段和阶段特异性基因

作者:张凡,HQC

玉米是雌雄同株作物,但目前的机械和人工去雄等方法成本高且对作物有损伤而且光温敏雄性不育受环境影响较大,因此挖掘稳定的雄性核不育基因尤为重要。研究玉米花药发育可以更好地解析玉米雄性不育机制,为培育高产、优质、高抗优良品种提供不育系种质资源。从雄蕊原基到花粉成熟的花药发育过程十分复杂。之前玉米花药发育过程大多参考水稻的花药发育过程,玉米中尚缺少独立且更准确的定义,尤其是不同长度的花药与发育阶段的和调控该阶段特异表达基因的对应关系,以及这些特异表达基因的具体功能都知之甚少。

近日,中国科学院植物研究所张梅课题组在Journal of Integrative Plant Biology (JIPB) 上发表了题为“Exploringkey developmental phases and phase-specific genes across the entirety of anther development in maize” (h‍ttps://org/10.1111/jipb.13276)的研究论文。该研究建立了玉米花药发育过程中10个关键阶段的RNA测序文库对玉米花药发育阶段进行了划分,鉴定了多个不同发育阶段的特异表达基因,并且发现干燥相关蛋白(Desiccation-related protein, DRP)编码基因ZmDRP1对花药发育具有重要的调控作用。

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该研究利用9种不同长度的玉米花药(0.2-4.0 mm)和散粉期的成熟花粉粒,建立了玉米花药发育过程中10个关键阶段的RNA测序文库,获得了详细的玉米花药发育相关基因的表达图谱。转录组分析将整个花药发育过程划分为四个阶段,分别是细胞分裂和增殖、减数分裂、花粉成熟和成熟花粉,四个时期中分别检测到50、245、42和414个阶段特异表达基因,其中在减数分裂期显著富集时期特异性转录因子。并且这些时期特异性表达基因在昌7-2和W23中也具有较高的保守性,表明它们可能在花药发育中起重要作用。

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玉米花药发育各阶段特异表达基因

 

该研究利用RNA原位杂交技术对多个减数分裂期特异表达基因在各个发育阶段的表达进行了验证。发现一个编码干燥相关蛋白(DRP)基因ZmDRP1在四分体到单核小孢子阶段的绒毡层中特异表达。通过CRISPR/Cas9系统对ZmDRP1进行敲除突变,zmdrp1突变体表现出完全雄性不育,花粉粒无淀粉填充表现出干瘪皱缩,乌氏小体异常,花粉外壁缺陷。值得关注的是,zmdrp1在株型和生育期上与野生型没有明显差异,具有作为雄性不育系应用于玉米杂交制种的潜力。该研究在分子水平上对玉米花药发育阶段进行了划分,为更好的鉴定花药的发育时期提供了一定的理论借鉴,并且鉴定了不同发育阶段的特异表达基因,为基因功能研究、花药发育的分子调控网络和雄性不育的分子机制及调控网络提供了宝贵的资源,为雄性不育系的创制和玉米制种提供支持。

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zmdrp1突变体的表型图


中国科学院植物研究所助理研究员韩英佳、工程师马旭旭和中国农业大学已出站博士后胡明建为该论文的第一作者,张梅研究员为通讯作者。中国农业大学的赖锦盛教授等也参与了该项研究工作。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目资助

 

原文连接:h‍ttps://doi.org/10.1111/jipb.13276



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