PBJ|小麦中基因的转录沉默及其在杂交制种和调节雄配子生育力中的应用

小麦作为世界上种植范围最广泛的作物之一，为人类提供了20%的食物热量。然而随着世界人口的预期增长，小麦产量的持续提高是必需的。通过培育杂交种以利于小麦的杂种优势是实现增产的一种方法；而杂交小麦品种的商业化需要一个有效的杂交系统用于经济性的生产杂交种子。转录基因（TGS）是开展植物功能研究的直接工具，而在小麦等多倍体物种中遗传冗余将会导致CRISPR基因编辑技术的应用面临一定的挑战。TGS通过RNA依赖的DNA甲基化途径（RdDM）介导目的基因启动子区域的甲基化，从而抑制对应基因的转录。

为了在小麦中开发一个有效杂交系统，实现小麦杂交种子的生产。2022年7月22日，来自美国Johnston的Manjit Singh 团队在Plant Biotechnology Journal 上发表了题为 Transcriptional Gene Silencing In Bread Wheat (Triticum aestivum L.) And Its Application To Regulate Male Fertility For Hybrid Seed Production” 的研究论文。研究人员通过组成型表达启动子区域的一段反向重复序列（pIR），在小麦中实现高效的TGS。通过pIR介导了两个花药特异性的基因（TaMs45、TaMs1）的TGS，使其功能丧失从而导致雄性不育。虽然TaMs45需要基因组中所有三个同源基因都发生转录沉默，而TaMs1只需要B基因组发生转录沉默就足以导致雄性不育。研究人员进一步的发现pIRs通过影响同源基因启动子区域的甲基化来影响TaMs45的TGS。通过在小麦中应用pIR介导的TGS，研究人员实现了用于生产杂交种子的雄性不育系统，并且证明了该系统在温室和田间的可行性；同时为杂交小麦育种和种子生产提供一个替代方案。

TaMs45和TaMs1启动子序列分析与pIR序列设计

为了设计小麦Ms45的pIR，研究人员通过对玉米Ms45序列进行blast分析在各个小麦数据库中获得了三个同源基因的启动子序列。小麦启动子区域与玉米表现出76%的相似性，表明该区域调控元件的保守性。分析TaMs45在三个亚基因组中序列，发现相似性高达94-95%，它们表现出相似的表达水平，并且同源基因中任意一个表达就足以维持雄配置活力，这表明每个同源基因对雄配子活力的相同贡献。

TaMs45和TaMs1的pIR表达植株表现出显性雄性不育

与野生型相比，TAMS45-PIR 植株中，70%的T0植株表现出花药缺陷和雄性不育表型（1a）,熟花药的显微观察发现花药中缺乏花粉（1b，1C），该数据表明针对TaMs45启动子设计的pIR能够诱导小麦植株的雄性不育。

为了确定TaMs45启动子的甲基化是否会导致其基因的转录沉默，通过qRT-PCR在早期单核花药中测定TaMs45同源物的转录本丰度，PCR引物被设计为所有三个同源物中的保守序列，并被证明可以以相同的效率导致同源物的转录沉默。

如本研究所示，TGS能作为分析小麦基因功能的强有力工具；栽培小麦在基因组组成上要么是六倍体，要么是四倍体并具有广泛的基因组成；结果是导致同源基因的功能冗余。传统的诱变育种技术，包括现代基因组编辑技术在多倍体小麦的基因功能分析中可能面临挑战。TGS可以以显性的方式控制小麦的发育如雄性生殖控制，该技术为杂交种子的创制提供了机会。

转自：植物生物技术Pbj

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