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华中农大近期科学研究进展

2020年03月26日 12:47来源:未知手机版

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在柑橘自交不亲和分子机制研究领域取得重要进展
近日,Nature Plants在线发表了华中农大园艺植物生物学教育部重点实验室邓秀新院士领衔的柑橘团队题为“Evolution of self-compatibility by a mutant Sm-RNase in citrus”的研究论文,相关研究在柑橘自交不亲和分子机制与进化领域取得的重要研究进展。
自交不亲和性(Self-incompatibility,SI)是显花植物在长期自然进化过程中形成的一种广泛存在的生殖隔离机制,旨在防止近亲繁殖和物种退化,保持物种遗传多样性。植物自交不亲和机理研究虽然在十字花科、茄科、蔷薇科、玄参科及罂粟科等物种上取得了突破,但是关于芸香科柑橘属植物自交不亲和分子机制至今不明。柑橘是世界第一大水果,在国民经济中具有举足轻重的地位,其包含的柚类均具有自交不亲和性状,而宽皮柑橘以及其杂交种则普遍具有的自交亲和(Self-compatibility,SC)特性。
在实际生产中,以沙田柚为例,由于其具有典型的自交不亲和特性,自交座果率仅0.3%,使得生产实践中必须通过配置酸柚授粉树或进行人工授粉以提高座果率,不仅费时费力,而且果实种子多,在劳动力短缺及消费者对果实品质要求不断提高的今天,这成为制约产业可持续发展的一个重要问题。因此,发掘控制柑橘自交不亲和性状关键基因,解析其作用机制,明确亲和突变机理,可为生产或育种上选配合适授粉亲本以及通过遗传改良培育自交亲和新种质提供重要的理论依据。
课题组从2006年开始启动柑橘自交不亲和机制研究,历时13年,综合利用遗传群体结合细胞学及生物化学等方法证实芸香科柑橘类自交不亲和属于典型的配子体自交不亲和类型,自交授粉后花粉管会在花柱中上部被抑制生长,并首次发掘鉴定出控制柑橘自交不亲和性状关键雌蕊决定因子S-RNase蛋白,编码该蛋白基因具有以下三个典型特征,即花柱特异性表达、单一位点复等位基因特征和能够特异性抑制自体花粉管生长。
本研究在柚类中鉴定到9个高度多态性的S-RNase等位基因(S1-RNase~S9-RNase),利用收集到的394份柚类自然群体,通过检测共获得77%资源的S基因型,相关S基因型信息可为柚生产或开展常规杂交育种选配合适授粉亲本提供重要的理论指导。研究发现,检测自交亲和宽皮柑橘材料,发现S-RNase基因ORF第442位有一个腺嘌呤(A)缺失,从而导致移码突变和提前终止,形成无功能的Sm-RNase蛋白,通过扩大样本检测量,明确凡是含有突变的Sm-RNase都具有自交亲和性状,由此开发出基于Sm-RNase的分子标记,为早期开展分子标记辅助选择柑橘自交亲和性状资源提供方法。进一步利用原始、野生及栽培柑橘资源,构建出柑橘由自交不亲和性向自交亲和性转变的进化模式图,推测突变的Sm-RNase基因早期发生在宽皮柑橘中,伴随着柑橘种间相互杂交,进而渗入到其他柑橘品种中,并利用宽皮柑橘独特的无融合生殖特性逐渐将Sm-RNase基因在这些柑橘杂交种中固定,最终形成现有栽培橘多数表现为自交亲和特性的局面。
植物进化上关于S-RNase类配子体自交不亲和系统在蔷薇分支和菊分支中到底是二次起源还是单一起源一直争论不休,未有定论。因为S-RNase类的配子体自交不亲和系统自从在亲缘关系相对较近的如:茄科、蔷薇科及玄参科中被鉴定后,再未有其他新物种报道具有类似系统。本研究证实了芸香科柑橘也同属于S-RNase类自交不亲和系统,并且由于芸香科与蔷薇科、茄科以及玄参科亲缘关系远,且早在1亿年前就已经分化,为S-RNase类配子体自交不亲和系统属于单一进化起源结论提供重要佐证。
园艺林学学院已毕业博士研究生梁梅为论文第一作者,柴利军副教授为论文通讯作者。中国科学院昆明植物研究所朱安丹研究员、华南农业大学夏瑞教授、广西特色作物研究院邓崇岭研究员与陈传武副研究员、云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所王绍华、英国阿伯里斯特维斯大学Maurice Bosch博士及英国伯明翰大学Vernonica E. Franklin-Tong教授等也参与相关研究工作。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金和国家柑橘现代农业产业技术体系研究经费支持。

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