Elucidation of the molecular mechanism of male sterility and fertility restoration in cytoplasmic male sterile tomato

细胞质雄性不育番茄雄性不育及育性恢复分子机制的阐明

基本信息

批准号：
22KJ0363
负责人：
桑原康介
金额：
$ 1.41万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0363/
关键词：
細胞質雄性不稔性ミトコンドリアトマト花粉稔性回復

项目摘要

トマト細胞質雄性不稔(CMS)を引き起こすCMS原因遺伝子として新規のミトコンドリア遺伝子(orf137)を同定することに成功している(Kuwabara et al., 2022 Plant Physiol.)。トマトCMS系統では、花粉は正常に発達できるが、花粉発芽のみに異常が生じるという雄性不稔形質を示す。詳細に不稔形質を調査するために、花粉発芽に重要な因子であるカルシウムイオンの花粉内部における局在性を調査した。その結果、稔性系統の花粉ではカルシウムイオンが1箇所に強く蓄積して、その部分から花粉発芽する様子が観察された。一方で、トマトCMS系統の花粉では、複数箇所にカルシウムイオンが強く蓄積し、複数箇所から発芽するという異常な形質を示すことを明らかにした。また、RNA-Seqを用いた網羅的遺伝子発現解析により、トマトCMS系統の異常形質と関連する核遺伝子の発現変動を複数検出することに成功した。イネなどの他作物のCMS系統で同定されたCMS原因遺伝子の多くは、ミトコンドリア呼吸鎖複合体の活性を低下させることで雄性不稔を引き起こすことが報告されている。トマトCMS系統で同定したorf137がミトコンドリア呼吸鎖複合体の活性を変化させるかを検証した結果、全く影響を及びさないことを明らかにした。この現象はこれまで報告されておらず、orf137は他作物のCMS原因遺伝子とは異なる機能を持つことが示唆された。トマトCMS系統の稔性を回復させる稔性回復遺伝子(RF遺伝子)はトマト稔性回復系統(Solanum pimpinellifolium と S. lycopersicum var. cerasiforme)の核ゲノム上に存在する。これまでに9個のRF遺伝子候補を発見していた。しかし、これらの遺伝子候補をトマトCMS系統に遺伝子導入しても、花粉稔性が回復しないことがわかった。

我们已成功鉴定出一种新的线粒体基因 (orf137) 作为 CMS 致病基因，可导致番茄细胞质雄性不育 (CMS) (Kuwabara 等人，2022 Plant Physiol.)。番茄CMS系表现出雄性不育性状，其中花粉可以正常发育，但仅发生异常花粉萌发。为了详细研究不育性状，我们研究了花粉内钙离子的定位，钙离子是花粉萌发的重要因素。其结果是，钙离子在可育株系的花粉的一处强烈蓄积，观察到花粉从该处发芽。另一方面，番茄CMS系的花粉表现出钙离子在多个位置强烈积累并且从多个位置发芽的不寻常特征。此外，通过使用RNA-Seq进行全面的基因表达分析，我们成功地检测到与番茄CMS系异常性状相关的多个核基因表达变化。据报道，在其他作物（例如水稻）的 CMS 品系中鉴定出的许多 CMS 致病基因通过降低线粒体呼吸链复合体的活性而导致雄性不育。验证在番茄CMS系中鉴定出的orf137是否改变线粒体呼吸链复合体的活性的结果显示，它完全没有影响。这种现象迄今为止尚未见报道，表明orf137与其他作物中导致CMS的基因具有不同的功能。恢复番茄CMS系育性的育性恢复基因（RF基因）存在于番茄育性恢复者（Solanum pimpinellifolium和S. lycopersicum var. cerasiforme）的核基因组中。到目前为止，已经发现了九个候选 RF 基因。然而，我们发现将这些候选基因引入番茄 CMS 系并不能恢复花粉育性。