西北农林科技大学西甜瓜种质资源与遗传育种团队成功克隆西瓜雄性不育调控基因ClATM1并解析其自调控机理

　　近日，园艺学院西甜瓜种质资源与遗传育种团队在《Horticulture Research》在线发表了题为《Disruption of the bHLH transcription factor Abnormal Tapetum 1 causes male sterility in watermelon》的研究论文。

 

　　西瓜（Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai）是葫芦科重要的经济作物，因其果实汁多味甜、营养丰富，在世界范围广泛栽培。杂种优势利用是提高作物综合农艺性状的主要育种策略，商品种也多采用杂交一代种；而雄性不育系是作物杂种优势利用和杂交种生产的优良材料。然而目前西瓜雄性不育研究基础还很薄弱，且调控基因尚未被克隆，不仅阻碍了优质不育系的创制与应用，而且限制了西瓜生殖发育调控机理的研究。

 

　　本研究以课题组鉴定的西瓜雄性不育系Se18为核心材料，通过细胞学特征分析，明确了其败育的根本原因和关键时期。遗传分析表明Se18不育性状由单隐性基因控制，因Se18绒毡层发育异常被命名为ClATM1（Abnormal Tapetum 1）。基于图位克隆策略，将ClATM1定位于Chr06染色体上54.01kb区间内，该区间有5个功能注释基因。qRT-PCR分析表明，bHLH转录因子Cla010576在Se18雄花花蕾中显著下调表达；序列分析表明，在Se18中该基因的第二个外显子存在10 bp缺失，导致其重要结构域bHLH Interaction and Functional（BIF）缺失；亚细胞定位表明，ClATM1是一个核蛋白，无BIF结构域的截短蛋白ClATM1-10bp的核定位信号缺失；组织特异性及原位杂交分析发现，ClATM1在雄花中的表达量显著高于其他组织，且在花药发育的S6、S7和S8a时期的绒毡层及小孢子母细胞中高度表达。

 

　　基于CRISPR/Cas9技术，在雄性可育的西瓜种质‘YL’中对候选基因进行转基因功能验证，获得两个纯合编辑株系，均表现为完全雄性不育，且其花药细胞学缺陷与Se18相似。至此，本研究克隆到了第一个西瓜雄性不育调控基因ClATM1，首次通过CRISPR/Cas9和西瓜遗传转化技术获得雄性不育系，为优质西瓜雄性不育系的创建奠定基础，具有重大的生产应用潜力；基于序列差异，开发了与不育性状紧密连锁的分子标记，加速了西瓜雄性不育系的分子标记辅助育种应用进程。

 

　　进一步分析发现ClATM1在转录水平上存在明显的剂量效应，通过双荧光素酶、GUS活性检测及酵母单杂交试验发现ClATM1可以结合自身启动子进而转录调控自身表达。由此，本研究首次揭示了ClATM1自调控机理在花药发育中的作用，丰富了bHLH转录因子在植物生殖发育过程中的调控机理，具有重要的科学研究意义。

 

　　园艺学院已毕业博士研究生张锐敏（现工作单位山东农业大学）为该论文的第一作者，张显教授和魏春华副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFD 0100704）、国家自然科学基金（31701939）、财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系（CARS-25）等项目的资助。

 

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41438-021-00695-9