Hortic Res | 华中农业大学郭文武教授课题组在柑橘胞质杂种雄性不育核质互作调控网络研究取得进展

雄性不育性的利用是柑橘无核改良重要手段。柑橘童期长、珠心多胚（孢子体无融合生殖），导致有性杂交育种周期长、效率不高。华中农业大学柑橘团队深耕细胞工程与遗传改良领域30余年，研发高效育种技术，通过细胞融合将温州蜜柑细胞质雄性不育性（CMS）转移到具有优良性状但果实有种子的我国地方特色品种，培育了雄性不育且果实无核柑橘新品种‘华柚2号’、‘华柚3号’等，极大缩短了育种周期；作为核心种源，具有重要的育种应用价值。

2023年5月，Horticulture Research上线了（Advance Access）华中农业大学柑橘团队郭文武教授课题组题为Spatiotemporal profiles of gene activity in stamen delineate nucleo-cytoplasmic interaction in a male sterile somatic cybrid citrus 的研究论文。

胞质杂种‘华柚2号’（G1+HBP）线粒体基因组来自具有CMS特性的愈伤组织原生质体亲本‘国庆1号’温州蜜柑（G1），核基因组来自可育的叶肉原生质体亲本HB柚（HBP）。‘华柚2号’树势、果实外观和风味等均与HB柚相似，但其花瓣和雄蕊均退化、花粉败育，具有典型的雄性不育特征，且果实无核。推测来自温州蜜柑的CMS线粒体基因组与来自HB柚的细胞核基因组互作是‘华柚2号’雄性不育的重要原因。前期基于花芽多组学和线粒体基因组比较分析，鉴定到雄性不育候选基因，但‘华柚2号’雄蕊发育相关核质互作模式尚不清楚。

该研究根据形态学观察，确定HB柚和胞质杂种‘华柚2号’雄蕊起始及发育关键时期。利用激光显微切割精细取样雄蕊发育5个时期特异组织和细胞，结合RNA-Seq发掘柑橘雄蕊特异组织细胞的基因时空表达特征。

图1 HB柚和‘华柚2号’花发育形态和激光显微切割收集其雄蕊特异组织细胞

该研究通过比较转录组分析鉴定到大量雄蕊发育过程相关基因在‘华柚2号’雄蕊原基、减数分裂细胞和小孢子差异表达。系统鉴定了柑橘ABCE模型基因，基于基因表达分析与蛋白互作实验，筛选到柑橘花发育B类同源基因CgAP3.2可能是导致‘华柚2号’雄蕊发育异常的关键基因。通过差异表达基因（DEG）功能富集分析、激素含量测定和已发表的花芽初生代谢物含量数据，证实‘华柚2号’雄蕊线粒体功能异常。‘华柚2号’雄蕊原基的茉莉酸和生长素代谢紊乱，且茉莉酸代谢通路、光合作用和三羧酸循环过程相关DEG表达模式协同，说明线粒体替换可能影响生长素代谢或通过叶绿体影响茉莉酸代谢，最终导致雄蕊原基发育异常；减数分裂细胞的呼吸作用和线粒体相关细胞组分异常，小孢子的线粒体核酸代谢异常，说明线粒体功能异常影响减数分裂和小孢子发育，最终导致花粉败育。该研究提出了柑橘雄蕊发育过程中可能存在的核质互作调控网络，为柑橘细胞质雄性不育机理解析提供了数据支撑。

图6 胞质杂种‘华柚2号’雄蕊核质互作潜在模型

华中农业大学毕业博士姜楠为该论文第一作者；伍小萌副教授为通讯作者。郭文武教授、冯梦琦博士和程来超等博士生参与了研究工作。该研究依托果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室和洪山实验室，受到国家重点研发计划（no. 2022YFF1003101）、国家自然科学基金（nos. 31530065, 31820103011）和洪山实验室（no. 2021hszd009）等项目资助。

作者团队介绍

华中农业大学柑橘团队郭文武教授课题组长期从事柑橘细胞工程与遗传改良研究。针对我国原产特色柑橘品种种子多、品质退化和育种效率不高等问题，二倍体水平上，创建通过细胞工程技术实现果实无核的新育种途径，缩短育种周期20年以上；多倍体水平上，构建多种细胞工程高效育种技术，创制出大量多倍体新种质。培育出柑橘无核优质系列新品种和新品系，已授权和受理柑橘新品种权9个，荣获湖北省技术发明一等奖。同时，基于柑橘细胞工程新种质，研究雄性不育、体细胞胚发生、多倍体广适应性和表观遗传变异等科学问题，在PNAS、Plant Physiology、Plant Biotechnology Journal、Journal of Experimental Botany、Theor Appl Genet、园艺学报等刊物发表论文100余篇，助力我国柑橘细胞工程高效育种技术创新和特色地方品种定向精准改良。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhad105

转自：“园艺研究”微信公众号

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