全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(4): 620628 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项(2009AA101102), 国家自然科学基金项目(31071477), 高等学校博士学科点专项科研基金
(20090204110024)和西北农林科技大学拔尖人才支持计划项目资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 张改生, E-mail: zhanggsh@public.xa.sn.cn, Tel: 029-87092152
第一作者联系方式: E-mail: zhanglyxn@nwsuaf.edu.cn, Tel: 029-87092152
Received(收稿日期): 2010-09-25; Accepted(接受日期): 2011-01-06.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.00620
小麦雄性不育系中 TaPDC-E1及其调节酶基因的表达特征
张龙雨 袁 蕾 杨书玲 张改生* 王俊生 宋瑜龙 赵卓军
牛 娜 马守才
西北农林科技大学 / 陕西省作物杂种优势研究与利用重点实验室 / 小麦育种教育部工程研究中心, 陕西杨凌 712100
摘 要: 为进一步研究杀雄剂 SQ-1 诱导小麦雄性不育的机制, 采用电子克隆的方法分离 TaPDC-E1 基因, 并利用
半定量 RT-PCR技术分析该基因及其调节酶基因 PDK和 PDP的表达特性。结果表明, TaPDC-E1 基因编码 388个氨
基酸, 具有 TPP保守结构域, 可能存在 2个丝氨酸磷酸化位点; 与可育系相比, TaPDC-E1基因在生理型不育系和遗
传型不育系中表达下调; PDK基因在生理型不育系中表达下调, 而在遗传型不育系中表达上调; PDP基因在可育系及
不育系中的表达趋势无明显变化。表明经杀雄剂 SQ-1诱导形成的生理型不育系在败育过程中其能量代谢途径更容易
受到影响, 推测对 PDK基因进行调节的上游信号机制在小麦生理型不育系与遗传型不育系中可能不一致。
关键词: 小麦; 杀雄剂 SQ-1; TaPDC-E1; PDK; PDP; 磷酸化位点
Expression Characteristic on TaPDC-E1 Gene and Its Regulatory Enzymes
Gene in Male Sterile Line of Wheat (Triticum aestivum)
ZHANG Long-Yu, YUAN Lei, YANG Shu-Ling, ZHANG Gai-Sheng*, WANG Jun-Sheng, SONG Yu-Long,
ZHAO Zhuo-Jun, NIU Na, and MA Shou-Cai
Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Heterosis of Shaanxi Province / Wheat Breeding Engineering Research Center, Ministry of
Education, Yangling 712100, China
Abstract: To deeply study the mechanism of male sterility induced by gametocide SQ-1 in wheat (Triticum aestivum L.), we iso-
lated TaPDC-E1 gene using silcon cloning technique. The open reading frame of this gene is 1 401 bp in length, putatively en-
coding 388 amino acids. This gene possesses the conserved TPP domains. Two potential phosphorylation sites of serine residues
might be present in the TaPDC-E1 protein of wheat. According to semi-quantitative RT-PCR analysis, the expression levels of
TaPDC-E1 in the physiological and genetic male sterile lines were lower than those in fertile lines. Compared with fertile lines,
the expression of PDK was obviously down-regulated in the physiological male sterile line induced by SQ-1. However, PDK gene
was highly expressed in the genetic male sterile lines. The expression levels of PDP gene were similar in fertile and male-sterile
lines. These results suggest that the pathway of energy metabolism of sterile line induced by SQ-1 is more susceptible than that of
genetic male-sterile line. The upstream signal mechanism of mediating PDK gene may be inconsistent between male-sterile line
induced by SQ-1 and genetic male-sterile line.
Keywords: Wheat; Gametocide SQ-1; TaPDC-E1; PDK; PDP; Phosphorylation site
目前, 利用杀雄剂诱导小麦生理型雄性不育以
配制杂交种是小麦杂种优势利用的重要途径之一[1],
应用杀雄剂 SQ-1 已经组配培育出一批超高产、优
质、多抗杂交小麦新品种并进行了生产示范种植[2],
但对 SQ-1 诱导的小麦生理型雄性不育的机制还了
解很少。以杀雄剂为突破口, 深入阐明杀雄剂 SQ-1
诱导小麦不育过程中的败育机制对于揭示小麦雄性
不育机制、优化杂交小麦制种技术体系, 乃至开发
新型杀雄剂都具有重要的理论和实践意义。研究发
现, 能量代谢失衡与小麦生理型雄性不育有一定相
关。陈蕊红等[3]和叶景秀等[4]通过差异蛋白质组学分
析 , 发现一些参与能量代谢相关的蛋白表达异常 ,
第 4期 张龙雨等: 小麦雄性不育系中 TaPDC-E1及其调节酶基因的表达特征 621
认为杀雄剂 SQ-1 诱导小麦雄性不育可能与能量代
谢的失衡有关; 位明明等[5]在研究三磷酸-甘油醛脱
氢酶(GAPDH)基因的表达模式时, 发现在 SQ-1诱导
的小麦雄性不育的花药发育各个时期, 该基因均呈
下调表达趋势。丙酮酸脱氢酶(E1)亚基是催化丙酮
酸氧化脱羧生成乙酰 CoA 系列反应中的第一个酶,
其催化的反应是整个丙酮酸脱氢酶复合物(PDC)催
化反应中的限速步骤, 是连接糖酵解与三羧酸循环
和氧化磷酸化的关键环节。该基因的调节酶丙酮酸
脱氢酶激酶(PDK)催化 E1α 亚基磷酸化, 磷酸化的
PDH 不能催化丙酮酸氧化脱羧反应, 导致糖酵解形成
的丙酮酸不能进入三羧酸循环; 丙酮酸脱氢酶磷酸
酶 (PDP)则将磷酸化的 E1α 亚基去磷酸化而恢复
PDH活性。因此, PDK/PDP对 E1活性的调节将直接
影响整个复合体催化的反应速率 [6], 进而影响后续
的三羧酸循环和氧化磷酸化过程中相关基因或蛋白
的表达。Yui 等[7]利用反义技术把甜菜线粒体 PDC-
E1的部分序列(bvPDH-E1α-1)反方向与花药绒毡层
特异启动子连接, 转入烟草中, 结果引起花药绒毡
层内 PDHc 的活性不足而导致雄性不育, 从而证实
抑制 PDC-E1基因表达可引起雄性不育。前人在研
究 SQ-1 诱导小麦生理型不育的过程中发现大量能
量代谢途径基因或蛋白的异常表达 [3-5], 而 PDC-
E1基因是连接能量代谢途径的闸门, 该基因如果
出现异常势必影响整个能量代谢途径。此外, 在本
实验室前期构建的 SQ-1 诱导小麦雄性不育的
AFLP-cDNA 文库中 , 亦发现该基因片段在不育系
中异常表达。本研究克隆并通过生物信息学分析该
基因及其编码蛋白的基本特征和 TaPDC-E1基因及
其调节酶 PDK 与 PDP 基因在小麦不同类型不育系
中的表达特征, 为进一步探索 SQ-1诱导小麦雄性不
育过程中能量代谢相关调控途径提供理论依据, 为
最终揭示 SQ-1诱导的小麦雄性不育机制奠定基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料及其处理
供试材料有同核异质黏类小麦遗传型雄性不育
系 K型(Aegilops kotschyi)、V型(Ae. variabilis)、Ven
型(Ae. ventricosa)和 B型(Ae. bicornis); K型不育系
与恢复系Rk5451杂交的 F1(KF); 本实验室创制的不
育系 ms(Kots)-90-110(A)及其近等基因系 BC5F2[8];
小麦品种西农 2611。
2008年 10月, 将全部材料按正常播期种植于西
北农林科技大学试验农场, 当西农 2611及其近等基
因系 BC5F2生长发育至 Feeke’s 8.0–8.5时期(即雌雄
蕊原基形成到药隔期)[1], 将其分为两组, 一组喷施
适量杀雄剂 SQ-1, 另一组喷施等量清水作对照。取
各不育系、可育系以及 SQ-1诱导不育系的花药和叶
片进行 RNA提取及基因表达分析, 其中花药样品发
育期分别为单核期、二核期和三核期, 叶片样品发
育期分别为生殖生长初期和花粉发育到三核期。取
样后迅速用液氮冷冻, 并保存于80℃冰箱中。由于
遗传型不育系和经 SQ-1 诱导的不育系的小麦花药
发育受到了抑制, 不能形成正常三核花粉粒, 所以
不育株取材指标与正常可育植株外部形态指标一致。
1.2 小麦花药总 RNA提取及 cDNA合成
称取 100 mg样品, 用 TRNzol-A+试剂(北京天根
生化科技有限公司 ), 按说明书方法提取样品总
RNA, 经核酸蛋白检测仪检测 RNA提取质量。使用
Prim Script RT Reagent Kit (TaKaRa, 大连)合成第一
链 cDNA, 按说明书方法进行反转录操作。
1.3 小麦 TaPDC-E1 基因的克隆
从本实验室构建的 AFLP-cDNA 小麦生理型雄
性不育文库中比对, 选取与 TaPDC-E1基因高度同
源的 EST 片段为模板, 采用电子克隆技术对其进行
拼接延长。根据拼接序列设计引物, E1-F: 5′-CGAA
ACCCTAGCCAGCCAA-3′, E1-R: 5′-AGCCAGCC
AGCAGCAGTTA-3′, 引物序列由北京三博远志公
司合成。以近等基因系 BC5F2二核期花药的 cDNA
为模板, 扩增目的基因。采用高保真酶 PrimeSTAR
HS polymerase (TaKaRa, 大连)进行 PCR扩增。PCR
反应条件为 94 3 min; 94 30 s, 55 30 s, 72 1 ℃ ℃ ℃ ℃
min, 35 个循环; 72℃延伸 10 min, 4℃保存。采用
PBS-T II平末端 DNA片段加 A试剂盒(北京天根生
化科技有限公司)进行克隆转化操作, 将阳性菌落克
隆送北京三博远志生物有限公司测序。
1.4 小麦 TaPDC-E1基因的序列分析
利用 NCBI 的 conserved domains (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)进行保守区
域分析; 采用蛋白序列分析软件 ANTHEPROT 4.3
预测和分析蛋白序列分子量和信号肽潜在断裂位点;
使用 ClustalW 2.0 软件进行氨基酸序列比对; 采用
DNAMAN 6.0软件构建小麦 TaPDC-E1与其他植物
和动物相关蛋白的系统进化树。
1.5 小麦 TaPDC-E1及其调节酶基因的定量表
达分析
根据克隆所得 TaPDC-E1基因的 cDNA 序列,
在其保守区用 Primer Premier 5.0软件设计特异引物,
622 作 物 学 报 第 37卷
E1-F1: 5′-AAGCGTGGTGACTATGTGCC-3′, E1-R1:
5′-TCTCATCCCTGGTGCGGTAA-3′。根据小麦 PDK
基因(GenBank 登录号为 BT009355)和 PDP 基因
(GenBank登录号为 AK336121)的 cDNA序列, 在其
保守区设计特异引物, wPDK-925: 5′-TGCTGATGG
AACAGAGGA-3′, wPDK-1188: 5′-CGTGACAAGT
GGAGGTAA-3′; wPDP-1106: 5′-GAGGAAGTTAGG
CAGGAG-3′, wPDP-1333: 5′-GTGAACAGCAATCG
CAGG-3′。内参为小麦 18S rRNA基因(GenBank登
录号为 AY049040), 其引物为 18S-F: 5′-CGTCCCT
GCCCTTTGTACAC-3′, 18S-R: 5′-AACACTTCACC
GGACCATTCA-3′。以供试材料的叶片和处于不同发
育时期花药的 cDNA为模板, 小麦 18S rRNA基因为
内参进行半定量分析。PCR反应体系为 25 µL, 含调
整后的 cDNA模板, dNTP Mix (2.5 mmol L1) 2.0 µL,
10PCR buffer 2.5 µL, 引物(10 µmol L1)各 1.0 µL,
Taq DNA聚合酶(5 U µL1) 0.25 µL, ddH2O补足 25.0
µL。PCR扩增内参基因采用 22个循环, 对目的基因
均采用 28个循环。
2 结果与分析
2.1 小麦 TaPDC-E1基因的序列分析
根据电子克隆结果设计引物, 以可育株二核期
花药的 cDNA 为模板 , 进行目的基因扩增 , 得到
1 401 bp的 cDNA片段。推导该序列编码 388个氨
基酸, 预测分子量为 42.61 kD; 拥有一个硫胺素焦
磷酸结合位点(Tpp-binding site)、异源二聚体功能区
(heterodimer interface)、磷酸化环区 (phosphorylation
loop region)和四聚物功能区(tetramer interface) (图 1)。
对 TaPDC-E1亚基氨基酸序列的多重比对和磷
酸化位点分析结果表明, 位点 1 (Ser-291)在植物和
动物的线粒体中都很保守; 位点 2 仅在动物序列中
保守, 但是位于位点 2 上游紧邻的第 297 位丝氨酸
在植物序列中很保守, 可能是植物中的丝氨酸磷酸
化位点; 位点 3 在哺乳动物中对应 TaPDC-E1氨基
酸序列的第 232 位 Ser, 但是在所有植物线粒体
PDC-E1亚基中, 位点 3 均为 Ala (图 1 和图 2)。
PDC-E1亚基蛋白进化树显示, PDC-E1序列在植
物中高度保守(图 3), 本研究推定的 TaPDC-E1序列
与水稻和玉米 PDC-E1蛋白的同源性高达 92%和
89%。
2.2 小麦 TaPDC-E1及其调节酶基因在相同遗
传背景不育系中的表达分析
RT-PCR 分析结果显示, 不育系 ms(Kots)-90-110
中 TaPDC-E1基因随着植株的生长发育表达量逐渐
下降 , 至花药发育的三核期表达量最低 ; 相反 , 在
可育系 BC5F2中 TaPDC-E1基因随着植株的发育表
达量上调, 至花药发育的三核期表达量最高; 而对
BC5F2喷施杀雄剂 SQ-1 后, 与相应的遗传型不育系
和可育系相比 , TaPDC-E1的表达量一直较低 , 至
花药发育的三核期表达量最低(图 4-A)。
在不育系 ms(Kots)-90-110中, PDK基因在叶片
和花药发育的单核期表达量较高, 在花药发育的二
核期表达量最低, 至三核期 PDK基因的表达量虽有
上升但仍低于在叶片和单核期的表达量; 在可育系
BC5F2中, PDK基因的表达量随着植株的生长发育逐
渐上升 , 至二核期表达量最高 , 随后表达下调 , 三
核期表达量最低; 同样, 可育系 BC5F2经 SQ-1 处理
后, PDK 基因的表达与在可育系中的表达趋势基本
一致, 但整体表达量低于可育系。3种材料中, 遗传
型不育系的叶片和单核期PDK基因的表达量显著高
于可育系和生理型不育系, 但其在二核期的表达量
急剧下降, 显著低于在其他 2 种材料中的表达量(图
4-B)。
PDP 基因表达量除在生理型不育的单核期低于
各不育系和可育系外, 其余时期的表达量在 3 种材
料中没有显著差异, 均基本检测不到 PDP基因的表
达(图 4-C)。
2.3 小麦 TaPDC-E1和 PDK 基因在不同遗传背
景不育系中的表达分析
在经 SQ-1 处理的 BC5F2和西农 2611 中, 小麦
TaPDC-E1基因在三核期花药及同期叶片中的表达
量均显著低于其 4 个同核异质的遗传型不育系以及
2个可育系。与两个可育系相比, 在 4个同核异质的
遗传型不育系中小麦 TaPDC-E1基因在叶片中的表
达变化不明显 , 但在花药中的表达量明显下调(图
5-A)。小麦 PDK 基因的定量结果显示, 在经 SQ-1
处理所形成的 2个生理型不育材料中, 小麦 PDK基
因在叶片和花药中的表达量均显著低于 4 个同核异
质的遗传型不育系以及两个可育系; 在遗传型不育
系中除 B型不育系外, PDK基因在 K型、V型和 Ven
型 3 个不育系的叶片和花药中的表达均显著高于 2
个可育系, 但在 B型不育系中 PDK基因的表达量显
著高于 2个生理型雄性不育系(图 5-B)。
3 讨论
线粒体丙酮酸脱氢酶复合体(mtPDC)的调控机
制对初级碳代谢有极其重要的作用。两种调节酶
PDK/PDP 通过对 PDC-E1亚基的磷酸化和去磷酸
第 4期 张龙雨等: 小麦雄性不育系中 TaPDC-E1及其调节酶基因的表达特征 623
图 1 小麦 TaPDC-E1 基因 cDNA 的核苷酸和推定氨基酸序列分析
Fig. 1 Analysis of nucleotide and deduced amino acid sequences for TaPDC-E1 cDNA in wheat
E1-F和 E1-R为 PCR扩增引物; 方框和星号示起始和终止密码子; 三角形表示信号肽断裂位点; 下画线表示推测的 TaPDC-E1蛋
白 TPP结合域; 数字代表哺乳动物中 PDC-E1亚基的磷酸化位点。
E1-F and E1-R are primers for PCR amplification . The start and stop codons are marked with a box and an asterisk, respectively. The
cleavage site of targeting signal peptide is indicated by a triangle. Underlined region indicates the putative TPP-binding domain of
TaPDC-E1 protein. The three residues phosphorylated on the mammalian PDC-E1 subunit are designated with numbers.
化使 PDC 失活或复活 , 从而调控碳进入三羧酸
(TCA)循环。已经从哺乳动物 PDC-E1亚基上鉴定
出 3 个磷酸化位点[9], 但对于植物 PDC-E1亚基中
磷酸化位点及数目依然没有证实[10]。本研究预测的
TaPDC-E1磷酸化位点与 Thelen等[11]和 Luethy等[12]
对玉米和拟南芥中 PDC-E1氨基酸序列的分析结果
一致。我们推测小麦 TaPDC-E1亚基可能存在 2个
磷酸化位点, 分别为第 291 位和 297 位的丝氨酸。
此外 , PDC-E1基因在人类中存在着自然突变 , 临
床上表现为乳酸中毒[13]。本研究发现该基因在这 3
种类型材料中的序列一致 , 没有发现该基因点突
变、插入和缺失的情况, 因此可以排除 TaPDC-E1
基因序列的变异对小麦雄性不育的影响。
本研究结果表明, TaPDC-E1基因在小麦不同
遗传类型不育系和生理型不育系花药中的表达量均
显著低于可育系, 说明小麦不育系在败育的过程中
624 作 物 学 报 第 37卷
第 4期 张龙雨等: 小麦雄性不育系中 TaPDC-E1及其调节酶基因的表达特征 625
(续图 2)
图 2 高等植物和动物 PDC-E1 蛋白的氨基酸序列多重比对分析
Fig. 2 Multiple alignment of PDC-E1 subunits from plants and animals
GenBank序列号为 H. sapiens (NP_000275)、C. familiaris (XP_537975)、O. cuniculus (XP_002719987)、R. rattus (CAA78146)、
R. norvegicus (NP_001004072)、Z. mays (ACG38908)、O. sativa (NP_001048068)、A. thaliana (AAK26016)和 B. rapa (ABV89625)。
数字代表哺乳动物中 PDC-E1亚基的磷酸化位点。
The GenBank accession numbers of PDC-E1 subunits from plants and animals are H. sapiens (NP_000275), C. familiaris (XP_537975),
O. cuniculus (XP_002719987), R. rattus (CAA78146), R. norvegicus (NP_001004072), Z. mays (ACG38908), O. sativa (NP_001048068),
A. thaliana (AAK26016), and B. rapa (ABV89625). Three residues phosphorylated on the mammalian PDC-E1 subunit
are designated with numbers.
图 3 高等植物和动物 PDC-E1亚基蛋白构建的系统发育树
Fig. 3 Phylogenetic tree of PDC-E1 subunits protein from
plants and animals
能量代谢处于低运行状态。前人的研究表明, 在正
常情况下, 线粒体 PDC 在花药中的表达较高[11,14]。
花粉在发育的过程中伴随一系列细胞组织的形成 ,
涉及到大量基因的协同表达[15], 因此对能量的需求
增加, 促使加快 TCA循环的运转来满足生物合成对
能量的需求, 但是在 2 种不育系中由于 TaPDC-E1
基因表达量的降低, 可能会影响丙酮酸转化为乙酰
辅酶 A, 以致 TCA循环不能产生足够的能量来满足
花粉细胞的发育而导致花粉败育。此外, TaPDC-E1
基因在生理型不育系中的表达量显著低于几类遗传
型不育系, 说明杀雄剂 SQ-1 诱导的生理型不育与
TaPDC-E1基因的低表达更加密切相关, 其能量代
谢途径更容易受到影响。
PDK促使 PDC-E1亚基磷酸化, 是 PDC活性的
负调控酶。在拟南芥中利用反义技术抑制 PDK基因
的表达, 使 PDK 表达量下降, PDC 活性增加, 植株
营养器官的养分积累减少, 花期提前[16]。人类医学
研究表明, PDC 活化造成的氧耗竭是肿瘤细胞凋亡
的原因[17], PDC 的活化可导致活性氧应激增加并诱
导肿瘤细胞的凋亡, 因此阻断 PDK1 表达可以诱导
肿瘤细胞的凋亡[18]。本试验结果表明, 在小麦生理
型不育系中PDK基因的表达量在各个时期显著低于
可育系。这可能由于 PDK 基因的表达下调促使
PDC-E1的磷酸化程度减弱, 打破了 PDK与 PDP共
同调节 PDC活性的稳态, 导致 PDC的活性过度增强
引起活性氧增加。活性氧的产生可导致脂质过氧化,
而 PDC 是脂质过氧化产物 4-羟基壬烯醛(4-HNE)作
用的主要目标[19]。4-HNE 既是氧化胁迫的产物, 也
是氧化胁迫的调节者; 4-HNE 可以通过对细胞的膜
图 4 小麦 TaPDC-E1 (A)、PDK (B)和 PDP(C)基因在相同遗传背景不育系中的表达
Fig. 4 Expressions of TaPDC-E1 (A), PDK (B), and PDP (C) genes in male sterile lines with same genetic background
1: 叶片; 2: 单核期; 3: 二核期; 4: 三核期。F: 可育系 BC5F2; S: 遗传型不育系 ms(Kots)-90-110; T: 经 SQ-1诱导的 BC5F2; C: 内参基因。
1: leaf; 2: uninucleate stage; 3: binucleate stage; 4: trinucleate stage. F: fertile line BC5F2; S: genetic male sterile line ms(Kots)-90-110;
T: BC5F2 induced by SQ-1; C: internal reference.
626 作 物 学 报 第 37卷
图 5 小麦 TaPDC-E1(A)和 PDK(B)基因在不同遗传背景不育系中的表达
Fig. 5 Expressions of TaPDC-E1 (A) and PDK (B) genes in male sterile lines with different genetic backgrounds
1: K型不育系; 2: V型不育系; 3: Ven型不育系; 4: B型不育系; 5: 可育系 KF; 6: 可育系 BC5F2; 7: SQ-1诱导的 BC5F2;
8: SQ-1诱导的西农 2611。
1: Male sterile line with Ae. kotschyi cytoplasm; 2: Male sterile line with Ae. variabilis cytoplasm; 3: Male sterile line with Ae. ventricosa
cytoplasm; 4: Male sterile line with Ae. bicornis cytoplasm; 5: Fertile line KF; 6: Fertile line BC5F2; 7: BC5F2 induced by SQ-1;
8: Xinong 2611 induced by SQ-1.
酶或膜蛋白进行修饰而改变细胞内的氧化还原状态,
可以诱导基因表达, 与细胞凋亡有关[20]。陈蕊红等[3]
报道, 杀雄剂 SQ-1引起小麦花药败育的过程中发现
了与细胞凋亡相关蛋白的表达。王俊生等 [21]报道 ,
经杀雄剂 SQ-1 诱导而形成的生理型不育系的花药
中有大量H2O2的积累, 以及超氧化物歧化酶(SOD)、
过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过
氧化物酶(APX)等一些抗氧化酶的活性极显著降低。
与可育系相比, PDK 基因在 B 型不育系中的表达量
下调, 与 PDK基因在 K型、V型和 Ven型 3种遗传
型不育系中的表达量上调的趋势不一致, 这可能是
由于不同的质核遗传背景造成的, 但是其在 B 型不
育系中的表达量仍显著高于 2 个生理型雄性不育
系。PDK基因的过表达促使 PDC-E1亚基严重磷酸
化导致 PDC失活, 影响植株发育过程的能量供应。
PDC 活性的磷酸化调控属于一种级联调控方式 ,
PDK/PDP决定 PDC的磷酸化状态, 更上游的机制又
调节着 PDK/PDP[22]。Araki 等[23]在对动物的研究中
发现 , 雌激素相关受体 (ERR)的过表达增强了
PGC-1激活 PDK4 基因 , 而 ERR的沉默减弱了
PGC-1激活 PDK4 基因。PDK4 基因对 PGC-1的
反应具有细胞特异性, ERR的差异分布调控 PDK4
基因在代谢途径的关键步骤上发挥重要作用从而协
调能量代谢。本研究中 PDK 基因在 K 型、V 型和
Ven 型等遗传型不育系中过表达, 而在生理型不育
系中抑制表达, 说明 SQ-1诱导形成的生理型不育系
与遗传型不育系在对PDK基因进行调节的上游信号
机制可能不一致, 至于具体的调控网络还有待深入
研究。
此外, 本研究通过对PDP基因的表达分析发现,
PDP 基因在生理型不育系的单核期表达下调, 而在
同遗传背景材料的其他时期表达均无明显差异。可
能 PDP对植物体能量的调控发生在蛋白水平, 而与
转录水平无关。综合分析小麦 TaPDC-E1、PDK和
PDP基因的表达模式, 发现 TaPDC-E1基因在转录
水平上的表达与 PDK/PDP 基因的表达没有必然的
联系。Zou 等[24]认为, 拟南芥 PDC活性的增强并不
是 PDC蛋白表达量的增加, 而是由于其活性调节酶
PDK蛋白表达量下降。因此, 本试验中 TaPDC-E1
基因在生理型不育系和遗传型不育系的表达下调 ,
可能由于在不育系中 PDK/PDP 对 TaPDC-E1亚基
调控的平衡失控而影响到 PDC的活性, 随后进行的
TCA 循环及氧化磷酸化途径受到抑制进而影响到
TaPDC-E1基因的表达, 导致花药在发育的过程中
能量供应不足而败育。
4 结论
采用电子克隆技术获得了小麦 TaPDC-E1基因
的完整开放阅读框。该基因编码 388个氨基酸, 推测
可能存在 2个磷酸化位点。TaPDC-E1基因在 SQ-1
第 4期 张龙雨等: 小麦雄性不育系中 TaPDC-E1及其调节酶基因的表达特征 627
诱导的生理型不育系中表达量最低。与可育系相比
较, PDK 基因在生理型不育系中表达量下调。PDP
基因仅在花药中表达, 表达量在单核期较高, 在二
核期至三核期变化不明显。说明 SQ-1诱导的小麦生
理型不育系的能量代谢途径更容易受到影响 ,
PDK/PDP 基因的表达对 TaPDC-E1基因的表达没
有直接的影响, 但是PDK基因可能通过对 PDC活性
的调节对能量代谢途径产生影响而间接干扰 TaPDC-
E1基因的表达。此外, 对 PDK 调节的上游信号机制
在小麦生理型不育系与遗传型不育系中可能不一致。
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Biol, 1999, 41: 837–849
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书讯
《中国水稻遗传育种与品种系谱(1986—2005)》
由万建民教授主编、中国农业出版社出版的《中国水稻遗传育种与品种系谱(1986—2005)》已正式出版
发行。全书分上、下两篇。上篇六章分别回顾了我国水稻育种的成就, 综述了种质资源研究与利用、超高产
育种、品质育种、抗性育种和新技术育种的理论、技术和经验; 下篇十章分别论述了 1986—2005 年我国水
稻育成品种的系谱和选育方法; 在附录中还列出了 1986—2005 年期间育成的 2 476 份常规稻和杂交稻品种
的育成年代、育种方法和主要经济性状等信息。
本书集科学性、系统性、实用性、资料性于一体, 是水稻育种家和大专院校教师和研究生重要的参考书
和工具书。
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