西北農(nóng)林科技大學(xué)西甜瓜種質(zhì)資源與遺傳育種團隊成功克隆西瓜雄性不育調(diào)控基因ClATM1并解析其自調(diào)控機理

　　近日，園藝學(xué)院西甜瓜種質(zhì)資源與遺傳育種團隊在《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)濟作物，因其果實汁多味甜、營養(yǎng)豐富，在世界范圍廣泛栽培。雜種優(yōu)勢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，通過細胞學(xué)特征分析，明確了其敗育的根本原因和關(guān)鍵時期。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）?；趫D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；序列分析表明，在Se18中該基因的第二個外顯子存在10 bp缺失，導(dǎo)致其重要結(jié)構(gòu)域bHLH Interaction and Functional（BIF）缺失；亞細胞定位表明，ClATM1是一個核蛋白，無BIF結(jié)構(gòu)域的截短蛋白ClATM1-10bp的核定位信號缺失；組織特異性及原位雜交分析發(fā)現(xiàn)，ClATM1在雄花中的表達量顯著高于其他組織，且在花藥發(fā)育的S6、S7和S8a時期的絨氈層及小孢子母細胞中高度表達。

 

　　基于CRISPR/Cas9技術(shù)，在雄性可育的西瓜種質(zhì)‘YL’中對候選基因進行轉(zhuǎn)基因功能驗證，獲得兩個純合編輯株系，均表現(xiàn)為完全雄性不育，且其花藥細胞學(xué)缺陷與Se18相似。至此，本研究克隆到了第一個西瓜雄性不育調(diào)控基因ClATM1，首次通過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)用進程。

 

　　進一步分析發(fā)現(xiàn)ClATM1在轉(zhuǎn)錄水平上存在明顯的劑量效應(yīng)，通過雙熒光素酶、GUS活性檢測及酵母單雜交試驗發(fā)現(xiàn)ClATM1可以結(jié)合自身啟動子進而轉(zhuǎn)錄調(diào)控自身表達。由此，本研究首次揭示了ClATM1自調(diào)控機理在花藥發(fā)育中的作用，豐富了bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物生殖發(fā)育過程中的調(diào)控機理，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。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFD 0100704）、國家自然科學(xué)基金（31701939）、財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-25）等項目的資助。

 

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