玉米S型细胞质雄性不育的育性恢复机理研究
在开花植物中，细胞质雄性不育(CMS)是一种普遍现象。这种由线粒体基因突变所导致的不育性状通常能够被细胞核内的恢复基因所抑制，从而使植株育性恢复正常。本研究对玉米S型细胞质雄性不育(CMS-S)中胞质不育候选基因的转录产物在核恢复基因的作用下被降解并引起育性恢复的生物学机理进行了探讨。
玉米主要有T、C、S三种CMS类型，其中S型CMS属于配子体雄性不育，其花粉的败育被认为与线粒体基因组内R区的表达相关。R区内含有两个紧密相邻的开放阅读框orf355和orf77，在S型CMS线粒体基因组内含有三个不同的拷贝。其中两个含有完整R区的BamHI片断已被克隆测序，结果表明在这两个片断中cox1和cox2分别位于R区上游，但与之位于不同的极性单链上。本研究发现：
(1)cox1和cox2的转录没有受到R区转录的影响；
(2)两个拷贝的R区在在不育花粉中高丰度表达，其转录本大小分别为1.6kb和2.8kb；而在育性恢复的花粉中，这两个转录本的丰度被大大降低，进一步分析表明这一结果是通过mRNA分子的降解途径来实现的，此降解过程发生在单核花粉期；
(3)在不育花粉中，1.6kb转录本的5'末端具有一段可形成茎环结构的迴文对称序列，而在可育花粉中，其5'末端短缺了9个碱基；
(4)在不育花粉和育性恢复的花粉中，R区转录本的加尾位点都集中位于一个3'茎环结构之后；
(5)不管是在不育花粉还是育性恢复的花粉中，orf77区域内均在第52位和100位核苷酸处发生了不同频率的C向U的编辑，从而形成UGA终止密码；
(6)不管是orf355-orf77的成熟转录本还是转录前体分子，都已被加上了Poly(A)尾巴，表明已进入降解途径；
在以上实验结果的基础上，本研究对S型CMS花粉育性的恢复机理进行了如下推测：在不育花粉和育性恢复的花粉中，orf77区域内均发生了终止编辑，即由RNA编辑产生了提前终止密码子。这种提前终止密码子被细胞内一种被称为NMD的RNA监测系统识别，进而使包括转录前体分子在内的所有含有orf77的转录本都要被添加上Poly(A)尾巴，并进入降解途径。然而位于1.6kb转录本3＇末端的茎环结构阻止了从3＇末端起始的降解过程。在育性恢复的花粉中，在核恢复基因Rf3的参与下，能够对位于1.6kb转录本5＇末端的茎环结构进行剪切，从而使5＇向3＇的降解过程顺利进行。由于2.8kb转录本包含完整的1.6kb转录本序列，其茎环结构也同样会被剪切，从而形成1.6kb转录本，然后被降解。相比而言在不育的花粉中，由于核恢复基因发生突变而不能对1.6kb转录本5＇末端的茎环结构进行剪切，从而阻止了降解程序的进一步进行。未能被降解掉的orf77转录本由于无义编辑而被翻译为只有17个氨基酸的短肽，此短肽与ATP9蛋白C末端的穿膜结构域高度同源，可以与正常ATP9产生竞争，或者直接与线粒体内膜结合而降低膜内外渗透压，从而使线粒体丧失正常功能，最终导致小孢子进入程序性死亡(PCD)过程，不能发育为正常的花粉。
细胞质雄性不育;茎环结构;玉米;克隆测序;线粒体基因
华中农业大学
博士
遗传学
郑用琏
2006
中文
S513.03
73
2007-07-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）