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Molecular mechanism and Genetic Characterization of self-compatibility in pears ‘Osa-Nijisseiki’

‘奥嗄二十世纪’梨自交亲和性分子机制及遗传特性研究


‘奥嗄二十世纪’是自交不亲和性梨品种‘二十世纪‘的自交亲和性花柱突变体,花粉自交不亲和性功能正常,其自交亲和性突变的分子机制及遗传特性目前仍有争议。本研究通过田间自花及相互授粉以及基因组、mRNA转录和蛋白质水平比较,分析‘奥嗄二十世纪’、‘二十世纪’及其后代S-RNase基因的存在与否、表达特性及其在后代中的遗传。结果显示,‘奥嗄二十世纪’花柱S2-RNase基因的核苷酸序列和表达特性与其原始品种‘二十世纪’的完全一样;而S4-RNase基因信号比其原始品种‘二十世纪’的弱,而且也在花柱中正常表达(包括转录和翻译水平),但表达量低;然而在其自交亲和后代基因组中检测不到S4-RNase基因。本研究表明,‘奥嗄二十世纪’基因组中存在花柱S4-RNase基因,但不能遗传给后代。



全 文 :园 艺 学 报 2008,35(8):1109—1116
Aeta Horticulturae Sinica
‘ 奥嗄二十世纪’梨自交亲和性分子机制及遗传特
性研究
吴华清,齐永杰,张绍铃
(南京农业大学园艺学院,南京 210095)
摘 要:‘奥嗄二十世纪 ’是自交不亲和梨品种 ‘二十世纪’的自交亲和花柱突变体,花粉 自交不亲
和功能正常,其自交亲和性突变的分子机制及遗传特性 目前仍有争议。本研究中通过田间白花及相互授粉
以及基因组、mRNA转录和蛋白质水平比较,分析 ‘奥嗄二十世纪’、‘二十世纪’及其后代 S-RNase基因
的存在与否、表达特性及其在后代中的遗传。结果显示,‘奥嗄二十世纪 ’花柱 S 一RNase基因的核苷酸序
列和表达特性与其原始品种 ‘二十世纪’完全一致;而 54一RNase基因信号比其原始品种 ‘二十世纪’弱,
在花柱中正常表达 (包括转录和翻译水平),但表达量低;在 ‘奥嗄二十世纪’的自交亲和后代基因组中
检测不到 34-RNo.e54RNaseSRNaseS6612A0513353X(2008)081109438MolecularMechanismandGeneticCharacterizationofSelfcompatibilityinPearOsaNijisseikiWUHuaqingQiYongjieandZHANGShaoling(ColegeofHorticultureNanjingAgriculturalUniversityNanjing210095China)AbstractPearOsaNijisseikiisastylarspecificselfcompatible(SC)mutantfromNijisseikiwhichexhibitJsRNasemediatedgametophyticserfincompatibilityThemechanismunderlyingSCwasnotclearthoughmanyinvestigationshavebeencarriedoutInthepresentstudytheJsRNasegenesinOsaNijisseikianditsSCprogeniesweresystematicalyinvestigatedatgenomictranscriptionalandtranslationallevelincomparisonwithitswildtypeNijisseikiResultsshowedthatbothOsaNijisseikiandNijisseikishowednodifferencesinperformancesof2-RNase gene,but the form er produced less S4-RNase gene signals
than the later did.However.4RNasegeneswereabsentinprogenyofOsaNijisseikiItcouldbeconcludedthat4-RNase in ‘Osa—Nijiseiki’gene does present in the genome and express。but could not be trans—
mitted sexually.
Key words:pear;self-incompatibility;Js—RNase gene;stylar—part mutant
日本梨 ( 瑚 pyrifolia)‘二十世纪’表现 自交不亲和 (self-inc0mpatihility,SI),其 Js基因型为
Js:Js ,而 ‘奥嗄二十世纪’是从 ‘二十世纪’芽变而来的自交亲和 (self-compatibility,SC)突变品
种。Sato等 (1988)的研究表明 ‘二十世纪’ × ‘奥嗄二十世纪’杂交表现不亲和,而反交亲和,
并且 ‘奥嗄二十世纪’自交后代中4SMS4SMJsJs11JsJsS2RNaseS4RNaseJs稿2008040220080611(30671437)(BK2007164)Authorforcorespondence(Emailnnzsl@njaueducn)http://www.cqvip.com5S(stylarpartmutantsM)广S4RNaseNorioka(1996)cDNAS4RNasecDNAS4RNaseSasa(1993)Hiratsuka(1999)IEFSDSPAGES4RNaseS4RNaseS4RNaseNSasa(1997)DNAPCRS4RNaseSouthernNorthernSRNaseS4RNaseS4RNaseLlL2Hiratsuka(1999)mRNAS4RNase(2001)S4RNaseS4RNase554SM-RNase与S4-RNase基因表达的S-RNase具有相同的生理功
能,进而认为 ‘奥嗄二十世纪’的34SM-RNase基因不仅存在而且可以遗传给后代并在后代中表达,
只是 5 一RNase基因仅在柱头表达,且表达量逐代减少,推测可能与其它修饰基因有关。
作者以 ‘奥嗄二十世纪’及其自交后代 54S.135、杂交后代 ‘秋荣’和原始品种 ‘二十世纪’
等为试材,从基因组、mRNA转录和蛋白质水平比较,分析了 S4-RNase基因的存在与否和表达特性
及其在后代中的遗传模式,来探索 ‘奥嗄二十世纪’自交亲和性突变的机制。
1 材料与方法
1.1 植物材料
供试品种 ‘奥嗄二十世纪’(5 S )、自交后代 54S一135(4SMS )、杂交后代 ‘秋荣’(S ” 5 )和原始品种 ‘二十世纪’(5:S )、‘幸水’(5 S )均栽植于南京农业大学江浦农场园艺站梨资 源圃,树龄6年。‘奥嗄二十世纪’的自交后代实生苗也于2007年种植于同一资源圃,供叶片采样。 1.2 授粉试验 2006年春季授粉组合见表 1。 花前 1 d收集花药,室内25℃条件下使其散粉后,收集花粉作授粉用。自花授粉时,开花前选 留2~3朵边花,其余摘除并套袋,散粉后轻轻摇动或人工授粉;杂交授粉时,花前 1 d去雄后授粉 并套袋。 授粉后25 d调查花序和花朵坐果率。 1.3 DNA提取 2006年采集春季刚展开的幼叶,采用改良的 CTAB法提取 DNA (张妤艳 等,2006)。 1.4 RNA提取 花柱总 RNA提取参照徐义流和张绍玲 (2004)的方法,电泳检测质量后,分别定量至 1 g· L~,直接反转录或 一20℃冰箱中保存待用。 1.5 S—RNase基因 liT-PCR及 PCR分析 根据梨 S 一、4-和S5-RNase基因的保守序列,用 Primer premier 5.0软件设计通用正反向引物 PF
(5 一GTTGrITITI’ACGGTTCACGGrITITI’G一3 )和 PR (5 一CTITYGGCACTrGARTIqTGGT一3 ),同时根据 3个
基因的特异序列分别设计各自的特异反向引物 PR2(5 .GCCAGAAGCCTCGAr丌AGCr丌一3 )、PR4(5 .
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8期 吴华清等:‘奥嗄二十世纪’梨自交亲和性分子机制及遗传特性研究
TCCCAGAAGCCTACATGATCG一3 )和 PR5 (5 一1丫盯ATCCCAGAAGA A TrrG 3 ),同时以组成型
表达的管家基因肌动蛋白基因Actin作内部参照,所用引物为ActinF(5 一ATGGTGAGGATATrCAACCC一
3 )和ActinR (5 一CTTCCTGTGGACAATGGATGG一3 )(Ushijima et a1.,2003)。预期扩增产物见表2。
反转录体系按照说明书进行,PCR反应体系参照张妤艳等 (2006)的方法,退火温度为53℃。
反应结束后,取 PCR反应液5 L进行 2%琼脂糖凝胶电泳检测并拍照。
1.6 花柱可溶性蛋白1EF-PAGE分析
花柱可溶性蛋白质的提取及等电聚焦聚丙烯酰胺凝胶电泳 (IEF—PAGE)参照张绍铃等 (2001)
的方法。
2 结果与分析
2.1 供试品种自花及相互授粉坐果率
各授粉组合坐果率见表 1。白花授粉时, ‘奥嗄二十世纪’、 ‘秋荣’和54S一135坐果率高达
88.0%以上,该 3个品种自交亲和;而 ‘二十世纪’和 ‘幸水’坐果率分别为7.0%和0,表现自交
不亲和
表1 自花授粉及相互授粉的坐果率
Table 1 Fruit setting among thirteen crosses
注:SI.自交不亲和;SC.自交亲和;CI.杂交不亲和;CC.杂交亲和。
Note:SI.Self-incompatible;SC.Self-compatible;CI.Cross—incompatible;CC.Cross—compatible
‘奥嗄二十世纪’ × ‘二十世纪’组合坐果率达 95.0%,为杂交亲和,反交仅为4%,表现为杂
交不亲和,说明 ‘奥嗄二十世纪’为花柱突变体,花粉 SI功能正常,与前人的结果 (Sato et a1.,
1988)一致。
‘秋荣’ × ‘幸水’组合坐果率达 85.0%,杂交亲和,反交时不坐果,这也证实 ‘秋荣’也为
花柱突变体,花粉 SI功能正常。
4SM纯合体 54S一135的花粉给其余4个品种授粉时, ‘奥嗄二十世纪’和 ‘秋荣’坐果率达 95.0%以上,表现为杂交亲和;而 ‘二十世纪’和 ‘幸水’不坐果,杂交不亲和,证实这两个母本 34-RNo,se基因正常。 维普资讯 http://www.cqvip.com 园 艺 学 报 35 卷 2. 2 ‘ 奥嗄二 十世 纪 ’ 含有 S 4 - R N ase 基 因 以通 用 引物 P F 和 P R 通 过 P C R 检测 ‘ 二 十世纪 ’ 、 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 、 ‘ 秋荣 ’ 和 54 S - 135 基 因组 中 S - R Nase 基 因 , 结果 (图 1 ) 显 示 , ‘ 二 十世纪 ’ 、 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 均能得到 5 :一 和 S 4 - R N as e 的特 征条带 , 分别为 1 538 bp 和 559 bp (表 2), 只是后 者的 S 4 - R N ase 带较前者弱 ; 在 ‘ 秋荣 ’ 中也 能得 到和 S 。 一 R N ase 大小相近 的产物 , 但它 是 S 4 - R N ase 还 是 S ,。 R Nase , 或是 两 者 的混 合物并 尚不 能确定 ; 而 在 54 S . 135 中未见 有 P C R 产物 。 进 一 步用 S , . 、 S 4 - 和 S s- R N ase 基 因的特异 反 向引物 P R 2 、 P R 4 和 P R 5 进行单个 5 基 因的特异性检 测 , 结果见 图 1 。 用 P R 4 作反 向引物时 , ‘ 二 十世纪 ’ 和 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 均能扩增 出 S 。 - R N ase 基 因 预期 333 bp 大小 (表 2) 的产 物 , 只是后 者 的条带较弱 , 而 ‘ 秋荣 ’ 和 54 S - 135 则不 能 , 由此 证 实 前两 者含有 S 。 一 R N ase , 而后 两 者不 含 。 而 用 P R 2 作反 向引物时 , ‘ 二 十世纪 ’ 和 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 均可 见预期 1 3 1 1 bp 大小 (表 2) 的 S :一 R N ase 片段 , 表明两 者 S :一 R N as e 没有差异 ; 而 ‘ 秋荣 ’ 和 54 S 一 135 没 有扩增产物 (因两 者不 含 .s:- R N ase ), 也说 明 P R 2 反 向引物的特异性强 , 不 能扩增 出 S , 一 R N ase 片段 。 用 P R 5 作反 向引物时 , ‘ 秋荣 ’ 中可 见 预期 34 5 bp 大小 (表 2) 的条带 , 说 明 P R 5 可 以用 于 检 测 S ,一 R N ase 基 因 , 但也 不 能检测 s:一 和 S 。 一 R N ase (数据从 略 )。 1 53 8bp 559 ,567 bp 333 bp P R P R 4 2 3 P R 2 4 l 2 3 4 ‘ ??。 一 1 3 1 1 bp ‘ ‘‘。 一 3 4 5 bp 图 1 S - R /V ase 基 因特异 引物检测 1 . ‘ 二 十世纪 ’ ; 2 . 54 S 一 135 ; 3 . ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ ; 4 ‘ 秋荣 ’ ; C K . 无 D N A 阴性对 照 。 F ig. 1 S - allele- specific P C R detection 1 . ‘ Nijisseiki ’ ; 2 . 54 S 一 135 ; 3 . ‘ O sa - N ijisseiki ’ ; 4 . ‘ A kibae ’ : C K . No tem plate D N A control 表 2 预 期 的 (R T - ) P C R 产物 长 度 T able 2 E xpected size of(R T - ) P C R pruducts 注 : 括 号 内为基 因 登录号 。 Notes : E M B L /G en B ank accession nu m bers in the brackets 5 :一 和 S 4 - R N ase 基 因的 m R N A 在通 用引物区 间的长度没有明显 差异 (表 2), 因此用特异反 向引物 P R 2 、 P R 4 和 P R 5 分别检测它们在 m R N A 水平上 的差异 。 结果见 图 2 , ‘ 二 十世纪 ’ 和 ‘ 奥 嗄二 十世 纪 ’ 两 者的 一 对 S 基 因均有转 录 , 只是 后 者 的 S 4 - R Nase 基 因转 录量 相 对较少 , 而 ‘ 秋荣 ’ 只有 S ,一 R N ase 基 因表达 , S 4 - R Nase 基 因和 54 S - 135 一 样没有产物 。 ˉ 维普资讯 http://www.cqvip.com 8期 吴 华清等 : ‘ 奥 嗄二 十世纪 ’ 梨 自交亲和性分子机制及遗传特性研究 ! ! 1 4 5 P R 2 P R 4 P R 2 P R 4 P R 4 P R 5 P R 4 P R 4 rR ^ 【4 s 爿0 rm 28S 18S 图 2 特异 引物检测 S - j£^ 协 e 基 因表达 1 . ‘ 二 十世纪 ’ ; 2 . ‘ 奥嗄二 十世 纪 ’ ; 3 . ‘ 秋荣 ’ ; 4 . 54 S 一 135 ; 5 . ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 阴性对 照 。 F ig. 2 R T - P C R detection ofS - eS ase transcripts 1 . ‘ N~isseiki ’ ; 2 . ‘ O sa — N~isseiki ’ ; 3 . ‘ A kibae ’ ;4 . 54 S 一 135 ; 5 . Negative con trolof ‘ O sa - NOisseiki ’ 2. 3 S 。. R N ase 蛋 白在花柱 中的表达量 ‘ 二 十世纪 ’ 、 ‘ 奥嗄 二 十世纪 ’ 、 ‘ 秋荣 ’ 和 54 S 一 135 成熟花柱 的可 溶性 蛋 白 IE F — P A G E 结果 显 示 , 除 54 S 一 135 外 , 其它 3 个品种均有 明显 的 S — R N ase 蛋 白特征带 。 其 中 , ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ S 。 - R N ase 带较 ‘ 二 十世纪 ’ 的弱 , 而 ‘ 秋荣 ’ 只有 S ,. R N ase 带 (图 3 , A ); 54 S - 135 似乎也 有两 条很 弱 的带 , 这与以上 结 果不 吻合 。 于是单独进行 一 次电泳 , 上 样量增加至 300 ¨g, 两 次重复 。 结果显示 , 在 S . R N ase 区域 内没有任 何条带 (图 3 , B ), 说 明其花柱 中不 表达 S - R N ase , 图 3 , A 中的弱带可能是操作 中造成 的假相 。 塞景激篓萱 i●i≯搬 B 图 3 花柱可 溶性蛋 白的 IE F — P A G E 银染检测 A . 上 样量 200 txg; B . 上 样量 300 Ixg; 1 . ‘ 二 十世纪 ’ ; 2. ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ ; 3 . 54 S 一 135 ; 4 . ‘ 秋荣 ’ ; M . pI m arker; c . 共 同带 。 F ig. 3 S ilver staining profile ofstylar proteins 200 斗g loading in A and 300 ¨g in B ; 1 . ‘ Nijisseiki ’ ; 2 . ‘ O sa — N~isseiki ’ ; 3 54 S - 135 : 4 . ‘ A kibae ’ : M pI m arker; c . C om m on bands. 2. 4 ‘ 奥嗄二 十世 纪 ’ 自交后代 S - R N ase 基 因分 离情况 以上 结果表明 , ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 基 因组 中确实检测 到 S 。 一 R N ase 基 因的存在 , 而且 也 正 常表 达 ; 但在它的两个后代中没有检测到 S 。 . R N ase 基 因及其表达产物 。 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 的 S 4 - R N ase 基 因能否 遗传 , 需要调查更多的后代 。 图 4 表明 , 在 53 个 ‘ 奥嗄二 十世纪 ’ 自交后代中 , 23 个含有 S :。 R N ase 基 因 , S 4 - R N ase 相对应 的 位置上 没有产物 , 因 3 2 - R N o, se 基 因正 常 , 所 以后代 中不 出现 |s:.s:基 因型后 代 , 将这 23 株系 Js基 因型 维普资讯 http://www.cqvip.com 1 1 14 艺 学 报 35 卷 定为 2S 。

。 其余 30 个株系中没有 s— R N ase 基 因产物 , 但 A c£流 基 因扩增正 常 (图 5 ), 将其
s基 因型
定为 S 4
S Z S 4

。 S :S 。

:S 4
s.W S 。
sw
= 23 :30 = 1 : 1 . 3 — 1 : 1 , 和 S at。 等 (1988) 的研究结果 一 致 。
S — - - ’
墨一
s芦P sP sP s≯P s≯S P s≯P s≯sP !妻兰 :兰j£? — —
__ 了 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1‘ 17
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18 百 ■ 矿 1 而 而 而 1 而 29 30 3 1 32 33 34 3 5
图 4 ‘ 奥 嗄二 十世 纪
’ 的自交后代 S 基 因分离
N . ? 二 十世 纪

; 1 ~ 53 .
‘ 奥嗄二 十世纪
’ 的 53 株 自交后代 。
啦 . 4 S egregation ofS . R N ase genes in progeny ofselfed
‘ O sa 。 N ijisseiki

N .
‘ Nijisseiki

: 1 — 53 . 53 progeny ofselfed
‘ O sa , N ijisseiki

-
3 讨论
图 5 ? 奥嘎 二 十世 纪
’ 的 30 个 s4 S M s4 。
” 自交 后代 A ctin 基 因 P C R 图谱
F ig. 5 P C R detection ofA ctin gene in 30 progeny genotyp
ed as
s4
S M s4
。” from selfing
‘ O sa - N ijisseiki

1 000 bp
500 bp
3 . 1 S - R N ase 等位基 因特异性检测体 系的建 立
梨 S - R N a。。 基 因的 P C R 特异性扩增技术 , 可 在 一 个 P C R 反应 中快速鉴定梨品种 的 S 基 因型 (Ish
-
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8期 吴华清等:‘奥嗄二十世纪’梨自交亲和性分子机制及遗传特性研究
imizu et a1.,1999;Castilo et a1.,2002;Sawamura et a1.,2002),但是有些等位基因之间片段长度相同
或相近,难以区分,需要借助特异性限制性内切酶酶切,因而形成 PCR-RFLP梨品种 S-RNase等位基
因检测体系。但这个体系只能区分 s .~S9-PtNase,其它等位基因的特异性限制性内切酶仍未确定,
而且有些内切酶价格较贵,操作也比较繁琐。
借鉴Sonneveld等 (2001)的方法,本研究中进行了S -,S -和 S .RNase的特异性检测,并做如
下改进:(1)正向引物通用,只设计各等位基因的特异反向引物;(2)尽量使各个反向引物的退火
温度保持一致,便于 PCR反应同时进行。用该方法检测 S.RNase基因的结果和传统方法的结果完全
一 致,免除了特异性限制性酶切,还可以用于各等位基因转录水平分析。
3.2 ‘奥嗄二十世纪’存在 S 一RNase基因但不能遗传给后代
‘奥嗄二十世纪’是 ‘二十世纪’的无性芽变,通过无性繁殖方式 (嫁接)来保留和繁殖 (Sato
et a1.,1988)。Sassa等 (1997)推测 ‘奥嗄二十世纪’是 ‘二十世纪’S4-RNase突变的嵌合体,S4-
RNase基因在顶端分生组织 Ll、L2层缺失。本研究的结果不完全支持以上观点。
众所周知,高等植物的花由茎顶端分生组织分化而来。按细胞发生的谱系,茎顶端分生组织由外
到内分为3个细胞层,分别为 Ll、L2、L3层。Ll层细胞进行垂周分裂,以后发育成表皮组织;1_2
层大部分也进行垂周分裂,形成中间组织;L3层分裂方向则较随机,最终形成维管束等组织。花粉
孢原细胞完全由L2层细胞分化而来,而雌蕊的大部分组织来源于 L2层细胞,但雌蕊的花柱由 Ll层
细胞分化而来 (Tilney.Baset,1986)。
根据本研究的结果,作者推测 S -RNase基因可能以嵌合体的形式存在于顶端分生组织的 Ll层
中,即 Ll层的的大部分细胞 S4-RNase基因缺失,部分细胞 (尤其是发育成柱头的细胞)含有 S4.
RNase基因,因为在 ‘奥嗄二十世纪’基因组中能够检测到 S -RNase基因信号,而且 S .RNase基因
也在花柱中正常表达 (包括转录和翻译水平),但主要在柱头上表达 (张绍铃 等,2001)。虽然
Northern杂交未能到S4-RNase基因的mRNA (Sassa et a1.,1997),但是可以用RT.PCR检测出来,因
为 RT-PCR较 Northern杂交更灵敏;但是在 L2层中缺失,因为在他的所有含 S 基因的后代中检测
不到S -RNase基因信号,因而他的基因组中残存的S -RNase基因不能遗传给后代,因为雌雄配子由
顶端分生组织的 L2层分化而来 (Tilney.Baset,1986)。
因此,‘奥嗄二十世纪’中的s 删与其有性后代 ‘秋荣’和54S.135等中的其实并不完全相同,
前者表示 S -RNase基因以嵌合体形式存在,而后代中的4SM代表S .RNase基因完全缺失。 3.3 ‘奥嗄二十世纪’及其自交亲和性后代在自交亲和品种选育和早期筛选上的应用 梨属于典型的白花不实果树,在生产上必须配置授粉树或花期人工授粉。选育白花结实品种是解 决该问题的途径之一。‘奥嗄二十世纪’及其 自交亲和后代都是花柱突变体,它们的花粉 SI功能正 常,选择亲本不能将它们作为父本与 S基因型相同的母本杂交,否则难以得到杂交种子,如 ‘二十 世纪’(S S ) × ‘奥嗄二十世纪’(S S )、‘菊水’(S S ) × ‘奥嗄二十世纪’(S S )等类 似组合将是不成功的。但如果用54S.135 S 删基因纯合体作父本,母本只要有 1个 s 等位基因,也 难以得到后代。用杂合型 ‘奥嗄二十世纪’和 ‘秋荣’作亲本 (自交除外),后代中自交不亲和与 自交亲和后代并存,可以根据本研究所建立的方法进行早期筛选,一般来讲,含有4SM_RNase等位基
因的就是自交亲和后代;而用纯合体型54S.135作亲本时,所有后代都 自交亲和,无需筛选。
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