K型小麦雄性不育系K519A花药亚显微结构观察和线粒体基因组分析

发布时间：2020-06-03 15:09

【摘要】：小麦杂种优势的利用对提高单产、品质和适应性有重大意义,雄性不育是杂种优势利用的重要途径之一,而小麦雄性不育产生的机理依然没有清晰系统的解释。本研究主要探讨K型小麦雄性不育系败育与花药亚显微结构变化的关系以及线粒体基因组序列差异分析。为揭示K型小麦雄性不育系败育发生时期和败育机制,以K型小麦雄性不育系K519A和其同型保持系519B为试验材料,采用半薄和超薄树脂切片方法对花药发育过程进行显微和亚显微结构观察,并对孢粉素转运相关基因RAFTIN1和绒毡层细胞降解相关基因APs在不同生育时期的表达模式进行了分析;利用高通量测序技术和生物信息学方法,对不育系和保持系线粒体基因组进行拼接组装和比对分析。主要试验结果如下:1.与保持系相比,不育系花药绒毡层在四分体时期提前降解,部分绒毡层细胞脱离中层侵入药室内,发育至二核和三核期绒毡层细胞只剩下细胞轮廓和少量附着的乌氏体。不育系小孢子细胞壁在单核期开始增厚,是同时期保持系小孢子细胞壁厚度的2.35倍,发育至二核期小孢子细胞壁继续增厚,但三核期不育系小孢子细胞壁比保持系小孢子细胞壁薄,仅是保持系花粉粒细胞壁厚度的0.89倍,并且三核期不育系花粉粒出现畸形和质壁分离的异常现象。以上结果表明,K型小麦雄性不育系K519A的败育可能发生在四分体期和二核期。败育原因可能是由于绒毡层细胞提前异常降解,一方面四分体时期部分绒毡层细胞侵入药室内,侵占了小孢子正常发育的空间,导致部分小孢子在此时期败育;另一方面绒毡层细胞提前降解,释放的营养物质为小孢子提供营养,使得单核期小孢子细胞壁增厚,但发育至二核及以后时期对小孢子营养供应不足,孢粉素合成减少,导致小孢子细胞壁较薄和花粉败育。2.自小孢子母细胞时期至单核期,不育系中RAFTIN1和APs基因的相对表达量都显著高于保持系,但在二核期不育系中的相对表达量显著低于保持系。RAFTIN1和APs基因的表达模式与细胞学的观察结果正好契合,故推测这两个基因很可能参与了K型小麦雄性不育系K519A的不育过程。3.拼接组装出完整的不育系和保持系线粒体基因组。不育系K519A线粒体基因组序列全长为420543 bp,AT含量55.86%,其中包含34个已知的蛋白编码基因,23个tRNA,3个rRNA,并预测出138个长度大于300bp的ORFs;保持系519B线粒体基因组序列全长为433560 bp,AT含量55.86%,包含35个已知的蛋白编码基因,24个tRNA,3个rRNA和预测出148个长度大于300bp的ORFs。4.对不育系和保持系基因序列比对分析发现,除nad1、atp4、atp8以及rpl16基因外,大部分蛋白编码基因的序列是比较保守的。共鉴定出21个SNP位点分布在10个蛋白编码基因中,其中14个为非同义突变,7个为同义突变。不育系中含有K-atpA-like和K-ndhB-like两个小麦叶绿体同源基因,但在不育系线粒体基因组中没有注释到atp6、ccmB和rps13基因,另外筛选出21个差异ORFs。综上,K型小麦雄性不育系K519A花粉败育可能出现在四分体时期和二核期,败育机理与绒毡层活动异常有关;RAFTIN1和APs基因可能参与K型不育系K519A的不育过程;不育系和保持系线粒体基因组存在较多差异,这些差异可能是导致K型不育系K519A败育的关键因子。
【图文】：

二核期及以后出现明显差异，花药纤细，开花期花药干瘪不开裂，不能释放有活力的粉粒（图 2-1 f-i）。I2-KI 染色结果表明，不育系 K519A 花粉粒败育类型为典败和染败不育系部分花粉粒呈不被 I2-KI 染色的不规则形状，大部分花粉粒呈圆形且可被染色519B 可育花粉粒几乎全被 I2-KI 染色且染色充分呈黑棕色，只有极少数染色失败（图 2

但是不育系花药绒毡层细胞之间间隙较大，且与保持系相比体积明显较大（图2-2 A ,F）。发育至四分体时期，保持系花药的绒毡层细胞体积明显增大，特别是横向细胞间距增大，具有浓厚细胞质。而不育花药的绒毡层开始萎缩，部分绒毡层细胞出现双核，绒毡层提前异常降解，少数降解异常的绒毡层细胞侵入药室内（图 2-2 B, G）。发育进入单核期，保持系绒毡层细胞萎缩，部分边缘模糊化，细胞整体轮廓仍正常且排列依然紧密，小孢子细胞呈圆形。而此时不育系绒毡层细胞异常肥大，细胞粘连在一起难以分清界限，，细胞边缘模糊并逐渐解体，细胞质染色较浅。此时期不育系小孢子细胞形状不规则，且与保持系相比小孢子细胞壁显著增厚（图 2-2 C, H）。发育至二核期，绒毡层迅速降解，保持系绒毡层细胞剩余残迹，而不育系绒毡层细胞只剩下细胞轮廓，小孢子细胞壁明显增厚，不育系中部分小孢子染色异常（图 2-2 D, I）。三核期保持系绒毡层细胞进一步自溶而降解，为小孢子的发育提供各种营养物质，不育系花药壁只剩表皮、花药内壁。小孢子形态各异，保持系中可观察到小孢子内存在液泡和细胞核，但是不育系acdbghifej14
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1

【参考文献】

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本文编号：2694999