科技日報記者 馬愛平

    小麥作為一種重要的糧食作物在世界范圍內(nèi)廣泛種植，隨著世界人口的不斷增長、耕地面積的日益縮減，提高小麥產(chǎn)量對全球糧食安全具有重要意義。

    雜種優(yōu)勢利用是提高小麥產(chǎn)量的最有效途徑之一，而雄性不育小麥無疑是雜種優(yōu)勢利用的重要手段。其中，小麥光/溫敏雄性不育系（P/TGMS）生產(chǎn)雜交種的二系雜交小麥技術(shù)體系，近十年來發(fā)展極為迅速，成為當前小麥雜種優(yōu)勢利用的主流技術(shù)。但對小麥育種如此重要的P/TGMS，其雄性不育的機制目前還沒有獲得確認。

    北京農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所張立平團隊長期從事小麥雄性不育分子機理研究。近日，該團隊在國際知名期刊《實驗植物學(xué)雜志》在線發(fā)表論文稱，他們通過對自主選育的骨干小麥溫敏雄性不育系BS366進行育性轉(zhuǎn)換相關(guān)研究，系統(tǒng)揭示了可變剪接對溫度誘導(dǎo)的溫敏雄性不育小麥育性轉(zhuǎn)換的調(diào)控作用。這一研究結(jié)果將有助于深入探索可變剪接對BS型溫敏雄性不育小麥育性轉(zhuǎn)換進行調(diào)控的分子機制，并為植物核雄性不育基因的研究提供了新的思路。

    可變剪接對溫敏雄性不育小麥的調(diào)控機制尚不明確

    “可變剪接是指用不同方式剪接一個相同的mRNA前體，從而使同一個mRNA前體得到不同mRNA，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，一段相同的DNA序列產(chǎn)生不同功能的蛋白質(zhì)。植物為規(guī)避各種逆境的傷害，在長期進化歷程中形成了一套復(fù)雜的適應(yīng)調(diào)控機制，其中可變剪接就是植物適應(yīng)逆境的機制之一。可變剪接可以在信號傳導(dǎo)分子、轉(zhuǎn)錄因子、剪接因子和抗逆功能蛋白等幾個層面調(diào)控植物抗逆基因的表達。在逆境條件下，可變剪接既是逆境誘導(dǎo)的結(jié)果，也是植物適應(yīng)逆境的一種方式。”張立平表示。

    張立平進一步解釋稱，迄今為止，人類已發(fā)現(xiàn)與植物逆境相關(guān)的基因存在選擇性剪接異構(gòu)體，但對參與該過程的剪接因子及作用機制卻知之甚少。值得注意的是，小麥溫敏雄性不育系BS366在低溫條件的脅迫下表現(xiàn)出不育特性，可以理解為是植株對逆境的應(yīng)答反應(yīng)。在相同的基因組情況下，不育系在不同的生態(tài)區(qū)域表現(xiàn)出顯著的育性差異，暗示了在低溫條件下小麥溫敏不育系的育性相關(guān)基因在表達過程中，可能出現(xiàn)可變剪接現(xiàn)象，因此可變剪接對于溫敏雄性不育小麥可能具有很重要的調(diào)控關(guān)系，但是其機制尚不明確。

    揭示可變剪接對低溫誘導(dǎo)的育性轉(zhuǎn)換的調(diào)控機制

    因此，該研究首先從細胞學(xué)入手，通過觀察不同育性條件下BS366和京411（對照組）的不同發(fā)育時期絨氈層和小孢子的超微結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)與可育條件下的BS366相比，不育條件下的BS366在小孢子母細胞時期核染色質(zhì)十分模糊，核膜也不完整，質(zhì)膜出現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)陷，液泡化現(xiàn)象嚴重，出現(xiàn)大量的囊泡和分泌泡，呈異常的海綿狀分布，同時不育BS366的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也不斷擴大延展，有提前降解趨勢。到了二分體和四分體時期，不育BS366絨氈層發(fā)生了明顯的提前降解，且絨氈層細胞鈣離子顆粒富集也發(fā)生異常。

    研究人員指出，通過以京411作為對照，他們分別對BS366和京411發(fā)生差異可變剪接的基因、長鏈非編碼RNA（lncRNA）及轉(zhuǎn)錄因子進行分析。通過GO（基因本體）功能注釋發(fā)現(xiàn)差異表達基因、lncRNA的靶基因以及轉(zhuǎn)錄因子主要富集在細胞周期，微絲、微管、細胞骨架，以及囊泡運輸?shù)确矫妫凹毎麑W(xué)觀察結(jié)果基本吻合；且發(fā)現(xiàn)3個bHLH轉(zhuǎn)錄因子與花藥壁絨氈層細胞分化期相關(guān)，從而表明這3個bHLH轉(zhuǎn)錄因子可能參與絨氈層細胞的發(fā)育。

    隨后進一步結(jié)合不同育性環(huán)境下小麥結(jié)實率，對轉(zhuǎn)錄本進行加權(quán)基因共表達分析，初步明確了這些基因及l(fā)ncRNA通過可變剪接對育性進行調(diào)控，系統(tǒng)揭示了可變剪接調(diào)控BS366育性轉(zhuǎn)換機制：外界低溫短日可能誘導(dǎo)絨氈層發(fā)育和囊泡運輸相關(guān)基因、轉(zhuǎn)錄因子及l(fā)ncRNA異常的可變剪接，進而導(dǎo)致花粉細胞骨架基因的改變，最終導(dǎo)致BS366雄性不育。該研究從可變剪接角度，全面分析了整個RNA水平的各個模塊，包括功能基因、非編碼RNA及轉(zhuǎn)錄因子對育性的調(diào)控機制，有助于進一步系統(tǒng)揭示光/溫敏雄性不育小麥育性調(diào)控機理。

關(guān)鍵詞： 雄性 小麥 基因