蛋氨酸合成酶基因BnMS1调控油菜自交不亲和性的分子机理研究

Self-incompatibility was an important way for utilizing the heterosis in cruciferae crops. At present, the genes that were responsible for pollen and stigma recognition specificity of self-incompatibility had been cloned. However, compared with the intense research about the signaling pathways in plant hormones and disease resistance, the number of the identified genes that participated in self-incompatibility signaling pathways were still limited, which greatly limits the application of self-incompatibility in cruciferae crops. In our previous results, we found the S-adenosyl-L-methionine (SAM) cycle pathway related genes were highly expressed in the stigma of B. napus. Knocking-down the expression of SAM cycle related gene BnMS1 (methionine synthase) with RNAi (RNA interference) caused breakdown of SI in B. napus. Our results provided evidence that BnMS1 is a positive effector of the Brassica self-incompatibility response. Based on our results, we plan to apply the methods in genetics, cytology, physiology, molecular biology and biochemistry to analyze the mechanism that BnMS1 regulate self-incompatibility reaction in B. napus. Further the function conservation of MS1 gene will be checked in artificial self-incompatible Arabidopsis. The results of the present project will be an important supplement to the self-incompatibility signal transduction pathways in B.napus. It also provides theoretical basis for hybrid production with self-incompatibility and crop production.

自交不亲和是十字花科作物杂种优势利用的重要途径。目前，控制芸薹属自交不亲和反应发生的花粉与柱头识别基因已经得到克隆，但是相较于植物激素，抗病等信号传导路径的深入研究，人们对参与自交不亲和反应的下游信号分子知之甚少，这极大地限制了自交不亲和性在十字花科作物中的应用。本实验室在前期的研究中发现蛋氨酸循环路径的基因在柱头组织中优势表达，通过转基因的手段（RNAi）下调该路径上的蛋氨酸合成酶基因BnMS1的表达打破了油菜的自交不亲和性，证明BnMS1基因是控制油菜自交不亲和反应的一个正向调控因子。在此基础上，本研究将综合运用遗传学，细胞学，生理学，分子生物学与生物化学的手段，解析BnMS1基因调控油菜自交不亲和反应的分子机理，并借助人工创建的自交不亲和拟南芥研究其功能保守性。本研究的开展是对自交不亲和信号传导路径的重要补充，将会为自交不亲和杂种选育及作物生产提供理论基础。

自交不亲和（self-incompatibility，SI）是植物在长期自然进化过程中形成的、以避免自花授粉、促进异花授粉的一种生殖特性。尽管自交不亲和识别基因已经克隆了很多年，人们对参与自交不亲和反应的下游信号分子却知之甚少，这极大地限制了自交不亲和性在十字花科作物中的应用。我们通过对自交亲和及不亲和反应进行比较转录组分析研究发现蛋氨酸循环路径的基因在柱头组织中优势表达，进一步在甘蓝型油菜‘Westar’柱头中通过RNAi技术下调蛋氨酸循环途径的关键基因BnMS1(也命名为BnCIMS1)的表达，可部分打破甘蓝型油菜的自交不亲和性，说明BnCIMS1是自交不亲和反应的正调控因子。经共线性和进化树分析发现CIMS1及其同源基因CIMS2的基因序列和蛋白序列在十字花科物种中均具有高度保守性。时空表达分析发现，BnCIMS1在甘蓝型油菜品种‘Westar’柱头和茎的表达量最高，在其它部位表达量相对较低。BnCIMS2在‘Westar’各部位中表达量极低，在柱头中几乎不表达。亚细胞定位结果显示BnCIMS1主要在胞质中表达。通过酵母双杂交技术验证BnCIMS1与自交不亲和反应相关基因BnSRK-1及BnARC1间的相互作用关系，发现BnCIMS1与两个基因间均无直接互作关系，说明BnCIMS1以一种新的未知途径调控自交不亲和反应。为验证AtCIMS1和AtCIMS2在拟南芥自交不亲和反应中是否具有保守功能，分别构建了转基因自交不亲和拟南芥与cims1、cims2 T-DNA插入突变体的杂种F1，筛选纯合突变体背景的F2转基因株系，各单株均为自交亲和，证明AtCIMS1和AtCIMS2均在维持拟南芥自交不亲和反应中起作用，且CIMS1基因在甘蓝型油菜和拟南芥自交不亲和反应中具有功能保守性。因此，本研究证明蛋氨酸循环途径关键基因BnCIMS1通过一种新的未知途径正向调控甘蓝型油菜的自交不亲和反应，为自交不亲和反应分子机制的研究提供了新的思路。