洋葱细胞质雄性不育特异性表达基因orf725的功能研究

Onion is a biennial vegetable, belongs to the Liliaceae family， Allium genus. The cytoplasm male-sterility (CMS-(S)) was discovered firstly in the onion cultivar 'Italian Red'.Male-sterile plants possess sterile (S)cytoplasm and are homozygous recessive at a single nuclear male-fertility restoration locus (Ms). The resource of this CMS-(S) are used worldwide as a male-sterile line for F1 hybrid onion varieties. In this project, two near isogenic lines of male-sterile and its maintainer line as the experiment material will be used.The real-time PCR technique will be used to research the specific gene expression stage and positions of the chimeric gene orf725, which caused by insertion of the alien fragment into the normal cytoplasm N. In order to explicit the relationship between the orf725 and male-sterility of onion, in situ RNA hybridization technique,gene overexpression, the functional complemention analysis of gene will be designed in this experiments to identify the gene function and action mechanism of orf725. This project will elucidate the molecular mechanism of male-sterility of onion,explore a new way to innovate onion germplam.

洋葱（Allium cepa L．）为百合科葱属二年生蔬菜，首次在意大利红的品种中发现了雄性不育株后，由于其强杂种优势，F1代杂交种很快普及于世界各地。研究表明其不育性是由单个核基因和细胞质基因互作的结果。本项目利用我们课题组培育的雄性不育系和保持系为材料，采用实时荧光定量PCR和组织原位杂交的方法，对orf725嵌合基因进行差异表达分析，研究该基因的表达时期和部位；采用反向遗传学的方法，对orf725嵌合基因进行过表达和功能互补研究，明确该基因与洋葱细胞质雄性不育的关系。为阐明orf725基因的作用机理，揭示洋葱细胞质雄性不育分子机制提供依据。

洋葱（Allium cepa L．）为百合科葱属二年生蔬菜，首次在意大利红的品种中发现了雄性不育株，是世界上最早利用杂种优势的蔬菜作物之一。研究表明其不育性是由单个核基因和细胞质基因互作的结果。orf725是来源于细香葱的线粒体基因orfA501插入到洋葱cox1基因后形成一个新的嵌合基因，该基因始终只在不育材料中出现。本项目利用我们自己课题组培育的近等位基因系，雄性不育系和保持系为材料，利用实时荧光定量PCR分析、组织原位杂交对线粒体基因orf725基因进行时空表达和表达部位的研究，确定该基因的表达时期和部位；利用过表达、基因功能互补验证等方法研究线粒体基因orf725的功能，明确该基因与洋葱细胞质雄性不育的关系。. 本研究工作的的主要进展和所取得的研究成果包括以下四个方面：（1）确定了洋葱线粒体基因orf725及其相关基因的表达特性。orfA501和orf725是共转录的，仅在雄性不育植株中表达，而且在不育系的根、叶片和花粉发育的四个时期均有表达，尤其是在花粉发育第一个时期的表达量显著提高，这表明orf725是组成型表达，它与洋葱的花粉发育存在某种关联。coxⅠ基因在不育系及其保持系的根、叶片和花的不同发育时期均表达，说明了该基因在植物的生长发育和能量代谢过程中是必不可少的。而在同一组织和器官的同一发育时期，洋葱不育系中coxⅠ基因的表达量显著高于保持系。（2）探明了orf725基因的反向遗传学功能。成功构建了包含线粒体信号肽的Ubi::Rf1b5'-orf725正义载体（pTCK303-Rf1b5'-orf725），转化拟南芥造成了拟南芥的育性降低，这表明线粒体基因orf725的插入影响了拟南芥的花粉发育。（3）开发了一个鉴定S型细胞质和N型细胞质的SCAR标记，命名为NS1053/S2175，该标记能有效的避免由于PCR的无效扩增而导致错误分类的问题。（4）发现了一个新的coxI嵌合基因orf137。. 关于洋葱细胞质雄性不育基因分子机理方面的研究国内外均未见报道。本项研究阐明了orf725与细胞质雄性不育的关系，对揭示洋葱细胞质雄性不育分子机制具有重要意义。