小麦隐性雄性不育新基因msZK9336的精细定位和图位克隆

Producing hybrid using male sterility is an important approach for crop heterosis utilization. Discovering male sterility genes are valuable for hybrid wheat breeding program. In previous research, we identified a new recessive male sterility gene msZK9336 in wheat line ZK9336. By applying BSR-seq analyses and molecular mapping, msZK9336 was mapped in a 6.1 cM genetic interval flanked by markers XMS480 and Xcfa2141 on chromosome 5AL. This region corresponds to a 16.8 Mb genomic region (604.1 Mb-620.9 Mb) in Chinese Spring reference genome sequences (IWGSC Ver. 1) on chromosome 5A. In this proposal, we are going to perform fine genetic mapping and map-based cloning of msZK9336. Based on the genetic linkage map and BSR-Seq analysis results, new polymorphic markers tightly linked or co-segregated with msZK9336 will be developed using the available reference genome sequences of Triticum urartu, Chinese Spring (IWGSC Ver. 1), Aikang 58 and Kenong 9204. A large segregating population will be screened for recombinants to develop fine genetic linkage map of msZK9336. Finally, candidate genes of msZK9336 will be cloned for functional validation. Transcriptome analysis will also be applied for differentially expressed genes and pathways analyses.

利用雄性不育配制杂交种是杂种优势利用的重要方法，小麦雄性不育基因在杂交小麦育种中具有重要的利用价值。msZK9336是我们发现的一个新的隐性雄性不育基因，利用BSR-seq策略和分子标记定位技术，将msZK9336定位于小麦5AL染色体分子标记XMS480和Xcfa2141之间6.1 cM遗传区间，对应于中国春参考基因组5A染色体604.1 Mb和620.9 Mb之间16.8 Mb的物理区间。本研究拟利用BSR-Seq技术和现有的乌拉尔图小麦、中国春、矮抗58和科农9204基因组序列，进一步开发与msZK9336紧密连锁分子标记，通过大规模分离群体重组体筛选，对msZK9336精细定位和图位克隆。通过转录组测序进行差异表达基因分析，探讨msZK9336雄性不育调控网络。

在小麦生殖发育过程中，减数分裂在配子体形成中发挥重要作用。减数分裂发育异常一般会导致雄性不育。本研究中我们发现了一个小麦雄性不育突变体msZK9336，并通过正向遗传学手段克隆了导致其不育的基因。msZK9336突变体在营养生长过程正常,花器官以及雌蕊形态正常，但成熟期花药不饱满、不外挂，花粉粒不能被I2-KI染色。扫描电镜观察结果显示msZK9336突变体的花粉干瘪皱缩，不能形成正常的花粉球形结构。透射电镜结果显示msZK9336突变体内部没有基质和淀粉粒填充。地衣红和DAPI荧光染色显示，msZK9336突变体减数第一次分裂中期和后期，同源染色体在赤道板排列和分离异常。通过遗传连锁图谱构建、基因注释和转录组测序分析，克隆了msZK9336基因。msZK9336基因编码一个未知功能蛋白（DUF），通过CRISPR-Cas9基因编辑敲除技术验证了msZK9336基因功能。序列分析发现msZK9336突变体中基因拷贝数的变异导致基因表达差异最终导致雄性不育。MSZK9336具有组织特异性,在雄蕊和雌蕊中高表达。亚细胞定位显示MSZK9336蛋白定位在细胞膜、细胞质和细胞核。msZK9336基因克隆将为揭示小麦雄性不育机理和育种应用重要理论基础。