基于线粒体全基因组测序的辣椒细胞质雄性不育研究

Cytoplasmic male sterility (CMS) is a maternally inherited trait whereby plants fail to produce viable pollen but maintain female fertility. CMS/fertility restorer(Rf) systems represent not only a valuable tool to exploit heterosis in hybrid seeds production,but also a window to the world of plant mitochondrial-nuclear interactions. Pepper (Capsicum annuum L.) is one of the most important vegetables in China.CMS has been applied widely in pepper breeding practice; however the molecular mechanism of pepper CMS still remains unclear. In this study, the complete mitochondrial genomes (mtDNA) sequences of three pepper CMS line and their maintainer line will be sequenced first based on the second generation sequencing technology (Illumina Solexa sequencing). The structural characteristics of mitochondrial genomes will be interpreted by using bioinformatics and comparative genomics strategy. By comparative analysis of mtDNAs between CMS line and its normal fertile counterpart, reveal the differences between the two lines, and then obtain the specific orfs in CMS mitochondrial genome. Screening of the orfs based on the characteristics of the CMS-associated open reading frames that are known in other species. Cloning and functional-verify of the candidates for the CMS-encoding gene finally. The study has great significance not only in better using CMS in pepper hybrid seeds practice, but also in illuminating the pepper CMS molecular basis in theoretically.

细胞质雄性不育（简称CMS）是植物不能产生有功能花粉的一种母系遗传现象。CMS/育性恢复系统是作物杂种优势利用的理想途径和研究质/核基因互作的窗口。辣椒是我国最重要的蔬菜种类之一，CMS已广泛应用于育种实践，但CMS产生的分子机理尚不明确。本研究基于第二代高通量测序技术（Illumina Solexa技术），首次测定3份不同来源的辣椒CMS系与保持系线粒体全基因组序列，通过生物信息学和比较基因组学方法，解读辣椒线粒体基因组结构特征。并以此为基础，挖掘同核异质不育系（Smsms）和保持系（Nmsms）线粒体基因组的差异，获得不育系特有的开放阅读框（简称ORF），并从中筛选CMS候选基因。最后克隆辣椒 CMS 候选基因，并进行功能验证，明确基因的生物学功能。本研究将对辣椒在育种实践中更好地利用CMS系生产一代杂种，在理论上探明辣椒CMS的分子机理具有重要意义。

细胞质雄性不育（简称 CMS）是植物不能产生有功能花粉的一种母系遗传现象，在植物界广泛存在。CMS/育性恢复系统是作物杂种优势利用的理想途径和研究质/核基因互作的窗口。辣椒是我国最重要的蔬菜种类之一，CMS已广泛应用于育种实践，但CMS产生的分子机理尚不明确。本研究以辣椒CMS材料NA3和B144及其相应保持系NB3和B145为材料，利用Illumina Solexa测序技术，完成了三个材料的线粒体基因组测序。基因组组装后发现不育胞质与正常可育胞质线粒体基因组大小分别为382kb和370kb。基因组注释信息显示，辣椒线粒体基因构成相对保守，均包含40个蛋白质编码基因，18个非编码RNA基因。13个蛋白质编码基因在三个材料中存在部分变异。NA3及其相应保持系NB3的线粒体结构比较发现13个共线性的block，在共线性block间发现很多短重复序列。在两系间发现69个差异orf，其中NA3特异的orf有41个，NB3特异的orf有28个。通过生物信息学初步筛选获得了5个CMS候选基因。对5个候选orf进行了时空表达特征分析，其中orf109、orf122、orf132和orf168四个基因在花蕾中特异表达。进一步构建了2个线粒体定位表达载体，农杆菌介导遗传转化至野生型烟草中，转基因植物的性状表现及系列基因的表达情况在观察和研究进行中。本研究将对辣椒在育种实践中更好地利用 CMS 系生产一代杂种，在理论上探明辣椒 CMS 的分子机理具有指导意义。