Hortic Res | 西北农林科技大学张显教授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

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。

近日，Horticulture Research在线发表了 西北农林科技大学园艺学院张显教授团队题为 Disruption of the bHLH tranion factor Abnormal Tapetum 1 causes male sterility in watermelon的研究论文。

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。

Fig. 3: Genetic mapping of the male sterility gene ClATM1.

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。

Fig. 5: Generation and phenotypic analysis of atm1 plants.

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。

文章链接：

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

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