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最新观点 | 马铃薯四分体花粉不育相关新型线粒体DNA分子被发现

作者:谢蓉蓉、王婧

马铃薯中的四分体不育是由一种特定的称为TSCsto的细胞质引起,这种细胞质来源于墨西哥野生四倍体物种Solanum stoloniferum。四分体细胞质雄性不育(T-CMS)突变体的花粉发育至四分体阶段时就会停止,从而释放四个过早成熟的花粉粒,此雄性不育突变体类型在源自墨西哥野生二倍体物种S. verrucosum和四倍体物种S. stoloniferum的细胞质的种间杂种中观察到,目前关于T-CMS的因果基因或表征TSCsto的有丝分裂基因组的结构差异还知之甚少。



近日,来自日本的研究人员在BMC Plant Biology上发表了题为Discovery of a novel mitochondrial DNA molecule associated with tetrad pollen sterility in potato的研究论文,鉴定出一种在TSCsto中特异性的重组型线粒体DNA分子RC-I,RC-I特异性区域可能含有导致四分体不育的目的基因,此项研究成果为揭示马铃薯的四分体不育作用机理解析奠定了重要基础。




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研究人员首先对两个可育花粉群体(17H117-9、17H131)和三个T-CMS花粉群体(15H156、18H255和cv. Alwara)的有丝分裂基因组进行纳米孔测序,通过4000到10,000个纳米孔长reads组装了5个有丝分裂的基因组,每个克隆产生2到7个contigs,总长度范围为463到535 kb。以此为基础进一步鉴定出两种重组型contigs(RCs),分别为RC-I和RC-Ⅱ,其中RC-I是一种在 TSCsto 中特异性的重组型线粒体DNA分子,明显与参考有丝分裂基因组(cv. Désirée)不同,并且在墨西哥二倍体S. verrucosum和多倍体物种中也发现了同样的区域(图1)。设计四个PCR引物组(P1、P2、P3、P4),进一步研究了RC-I特异性区域,其中P-3引物组rpl5midR/nad6能扩增出RC-I特异性区域,该区域由rpl5的最后127 bp、ψrps14基因间区域和截短的nad6基因的前21 bp组成。P-3扩增区域与T-CMS性状特异性相关,且该区域与859bp波段之间存在同源性,RC-I 在 rpl5-ψrps14和nad6之间发现了一个新的基因间区域(图2)。对8个S. verrucosum雌性种质产生的 92 个二倍体种间杂种的调查表明,只有携带该基因间区域的那些二倍体表现出T-CMS表型,这进一步表明了RC-I特异性区域与T-CMS相关。


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图1  重组重叠群组装示意图


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图2  重组contig RC-I的示意图


第二种重组型RC-Ⅱ在 17H117-9的contig 6中发现,contig 6的中心区域由M01的基因组成,但两个末端序列(每个46.6 kb大小)与M01和M02基因对称排列,同时连接区由M02的rps1和M01的cox2部分基因组成。PCR引物组(P-5)被设计用于扩增RC-II特异性区域,该区域由rps1的最后98 bp、基因间区域和cox2的前24 bp组成(图3)。


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图3  17H117-9 的 contig 6 中 P-4 区域


为了找到决定T-CMS性状的候选基因,研究人员进一步对rpl5-ψrps14和nad6之间的 RC-Ⅰ特异性基因间区域进行了花粉转录组分析,通过Illumina测序产生17,624 个来自 S. stoloniferum PI 498035 的reads(P-3 大小为 2010 bp)和12,593 个来自 S. stoloniferum PI 558450 的 reads(P-3大小为 1992 bp)。

总之重组有丝分裂基因组RC-I与S. stoloniferum种间杂种中的T-CMS性状相关, rpl5-ψrps14和nad6之间的基因间区域很可能是T-CMS的因果区域,并且在数量有限的S.verrucosum种质中也发现了相同的有丝分裂重组RC-I,这将导致由其配制的杂种表现出T-CMS,该研究获得的进展对下一步开展T-CMS作用机理解析有重要推动作用。


原文链接:

https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-022-03669-8





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