全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(4): 598−604 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 教育部重点科研项目(105166); 陕西省留学回国人员科研经费; 教育部春晖计划启动项目(Z2005-2-7104)
作者简介: 璘周琳 (1982–), 女, 硕士研究生, 主要从事作物分子遗传育种研究。E-mail: linlinzhou1219@126.com
*
通讯作者(Corresponding author): 胡银岗。E-mail: huyingang@yahoo.com.cn; huyingang@nwsuaf.edu.cn
Received(收稿日期): 2007-09-29; Accepted(接受日期): 2007-10-30.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00598
一个与小麦雄性不育育性转换相关的MADS-box转录因子基因
璘周琳 1 宋国琦 1 李红燕 1 胡银岗 1,2,3,* 何蓓如 1
(1西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100; 2国家小麦改良中心杨凌分中心, 陕西杨凌 712100; 3陕西省农业分子生物学重点实验
室, 陕西杨凌 712100)
摘 要: 为了揭示 YS 型小麦温敏雄性不育育性转换的基础, 构建了该类型不育系 A3017 的不育和可育幼穗正、反
杂交的两个 SSH-cDNA 文库。经文库比较, 在不育文库中筛选出一个与 MADS-box 基因同源的 EST 序列(GenBank
登录号: 36925702)。以该 EST序列的同源性比对和拼接结果为依据, 设计引物对该基因在可育和不育幼穗中的表达
进行了 RT-PCR分析, 结果表明, 该基因在不育幼穗中表达量较高, 可育幼穗中表达量很低。对不育幼穗中扩增出的
cDNA片段进行克隆测序, 获得了 666 bp的 cDNA序列。序列分析表明, 该片段编码 160个氨基酸, 具有 MADS-box
转录因子的典型结构域 K-box, 被定名为 TaMS-MADSbox, 与一个小麦 MADS box转录因子基因 WAG的氨基酸序列
的相似性为 94%。进一步以 3 种不同类型的小麦雄性不育系和保持系的幼穗 cDNA 为材料, 利用半定量 RT-PCR 对
该基因的表达模式分析发现也存在类似差异, 该基因在不育系幼穗中表达量较高, 而保持系幼穗中表达量较低。以上
分析表明, 该 MADS-box 转录因子基因的表达与小麦雄性不育系的育性转化相关, 表达量高时表现雄性不育, 表达
量低时表现雄性可育。
关键词: 普通小麦; 温敏雄性不育; 育性转换; MADS-box转录因子; 表达分析
A MADS-Box Transcription Factor Related to Fertility Conversion in
Male Sterile Wheat Lines
ZHOU Lin-Lin1, SONG Guo-Qi1, LI Hong-Yan1, HU Yin-Gang1,2,3,*, and HE Bei-Ru1
(1 College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi; 2 Yangling Branch of China National Wheat Improvement Centre,
Yangling 712100, Shaanxi; 3 Key Laboratory of Molecular Biology for Agriculture of Shaanxi Province, Yangling 712100, Shaanxi, China)
Abstract: Male sterility is one of the major characteristics to be used in heterosis utilization of crops, in which thermo-sensitive
or photo-sensitive male sterility is very important for two-line hybridization due to the conversion of their male fertility under
special weather conditions. YS type thermo-sensitive male sterile wheat (Triticum astivum L.) lines are applicable for heterosis
use in the major wheat production areas of northern China. To investigate the molecular basis of male fertility conversion of YS
type thermo-sensitive male sterile wheat lines, we constructed the sterile and fertile suppression subtractive hybridization (SSH)
cDNA libraries respectively, using the cDNA of the male sterile or fertile young spikes from the same individual of one YS type
thermo-sensitive male sterile wheat line A3017 under controlled male sterile or fertile conditions. Comparing the EST sequences
between the two cDNA libraries, an EST (GenBank accession number: 36925702) highly similar to MADS box transcription fac-
tor gene was selected from the sterile SSH-cDNA library and used as the probe to search the dbEST. A pair of primers was de-
signed based on the aligned sequence of highly homological EST sequences, and used to detect the expression difference of this
gene between male sterile and fertile spikes via Reverse Transcriptase PCR (RT-PCR). The results showed that the expression of
this gene in male sterile spikes was much higher than that in fertile spikes. Then the RT-PCR fragment amplified from the male
sterile spikes was cloned and sequenced, a cDNA sequence with 666 bp and encoding 160 amino acids was obtained. The cDNA
fragment contained the typical K-box domain of MADS-box, and designated as TaMS-MADSbox. The deduced amino acids were
94% similar to WAG (BAC22939), an MADS box transcription factor of wheat. The expression profiles of this MADS-box tran-
scription factor gene in the male-sterile lines and their maintainers of three types of male sterile wheat lines were further analyzed
第 4期 璘周琳 等: 一个与小麦雄性不育育性转换相关的 MADS-box转录因子基因 599


via semi-quantitative RT-PCR. The result showed similar patterns that the expression of the MADS-box transcription factor gene
in male-sterile lines was much higher than that in maintainers. It suggests that the expression of TaMS-MADSbox is related to the
fertility conversion of male-sterile lines. The spikes are male-sterile under high-level expression of TaMS-MADSbox, while fertile
under the low-level expression.
Keywords: Common wheat; Thermo-sensitive male-sterility; Fertility conversion; MADS-box transcription factor; Gene
expression analysis
利用作物光温敏雄性不育, 建立作物杂种优势利
用的两系体系已在水稻中显示了巨大的应用潜力[1]。
揭示作物光温敏雄性不育的分子基础, 将极大地促
进光温敏不育系的选育和应用, 为此, 研究者已从
育性相关基因定位、差异表达蛋白分离及功能基因
组学等方面开展了大量研究。已对水稻光温敏不育
系农垦 58S中的光敏基因 pms1—pms3、非农垦 58S
中的温敏核不育基因 tms1—tms5、水稻温敏显性核
不育基因 TMS 和水稻光温敏核不育基因 rtms 等进
行了定位, 并且构建了 pms1和 tms5的物理图谱, 为
图位克隆这些基因奠定了基础[2-7]。黄庆榴等[8]通过
SDS-PAGE 电泳分析 , 发现粳型光敏核不育水稻
7001s 可育花药比不育花药中多出两条分子量约为
43 kD和 40 kD 的蛋白质谱带。王台等[9-10]对光温敏
不育水稻农垦 58S叶绿体的 61 kD特异蛋白质的 N
端氨基酸序列分析发现其与水稻和大麦叶绿体
ATPaseβ亚基的 N端氨基酸序列同源。米志勇等[11]
应用改良 mRNA差别显示技术在农垦 58S水稻中获
得了一条与光周期育性转换性状相关的差异表达片
段 RPD-8。李军等[12]从水稻中克隆了腺嘌呤磷酸核
糖转移酶基因(APRT)。庄楚雄等[13]采用 cDNA缩减
方法获得了水稻温敏核雄性不育系“安农 S-1”幼穗
的 3个 cDNA序列, Northern杂交表明, 可能是新的
与水稻花粉发育有关的基因。小麦光敏细胞质雄性
不育系 D2-Norin 26的 RT-PCR分析, 获得了几个与
其育性转换相关的基因片段[14]; 曹双河等[15]利用同
源基因克隆得到多个与 G-box 家族相关的光温敏核
雄性不育基因片段, 并证明许多受生态因子调控的
基因启动子区域往往具有 G-box 保守区域, 特别是
受光照诱导表达的基因的转录是由 G-box 亲和因子
(GBF)调控的。
MADS-box 转录因子是一类非常重要的调节基
因家族, 具有特定的保守结构域, 通过其保守结构
域与特定的 DNA 序列结合来调控基因的表达[16]。
被子植物的大部分 MADS-box 基因参与花发育的调
控, 而且在植物花发育分子机制的 ABC模型中大多
数与花发育相关功能基因属于 MADS-box 基因家
族。Murai 等[17-20]比较含有粗厚山羊草(Ae. crassa)
细胞质的异质小麦农林 26 和中国春的雄蕊发育情
况时 , 发现农林 26 具有雄蕊心皮化现象 , 推测
MADS box 基因与诱导心皮化有关, 进一步分离出
两个与心皮化有关的蛋白质WPI1和 WPI2, 系统进
化分析表明它们都属于 B组 MADS box基因, 认为
粗厚山羊草细胞质异质小麦的雄蕊心皮化现象与 B
组 MADS box基因表达模式的改变有关。
YS 型小麦温敏雄性不育系是一类适应我国北方
麦区、具有重要利用价值的小麦温敏雄性不育系[21]。
为了揭示 YS 型小麦温敏雄性不育的分子基础, 宋
国琦等 [22]采用 cDNA-AFLP 技术对该类型不育系
A3017 在不育和可育温度条件下, 不同发育时期的
幼穗中的基因表达差异进行了研究, 又以该不育系
的同一单株在人工气候箱控温可育和不育条件下的
幼穗为材料 , 利用抑制消减杂交技术(SSH)分别构
建了不育和可育条件下基因特异表达的 SSH-cDNA
文库, 比较分析了两个 cDNA 文库 EST 序列, 探讨
了不育和可育条件下基因表达的种类、功能及其参
与的生化代谢途径的异同[23], 从 SSH-cDNA 不育文
库中发现一个MADS- box转录因子基因的表达与其
不育性的表达相关。本研究以该MADS-box转录因子
基因的 EST 序列为信息探针, 采用电子克隆技术[24-25]
拼接了该基因的部分序列 , 据此设计引物 , 采用
RT-PCR 对该基因在不育和可育幼穗中的表达模式
进行分析, 对扩增到的基因片段进行克隆和序列分
析。并采用半定量 RT-PCR 技术对该基因在 3 种不
同类型小麦雄性不育系及其保持系的幼穗中的表达
模式进行分析, 以进一步探讨该 MADS-box 转录因
子基因的表达与小麦雄性不育系不育性的关系。
1 材料和方法
1.1 材料和处理
YS 型小麦温敏雄性不育系 A3017 由西北农林
科技大学选育, 2004 年秋种植在西北农林科技大学
灌溉站试验田, 越冬后于 2005年 3月将部分材料移
植到营养钵中, 缓苗后放入人工气候箱进行控温处
600 作 物 学 报 第 34卷

理, 先使不育系 A3017 幼穗分化的减数分裂期处于
不育温度(昼 16℃, 夜 12 )℃ 条件下, 借助镜检取花
粉母细胞处于二核期的幼穗, 留一穗套袋自交以检
测自交结实率; 然后将剩余穗从基部第 3 茎节剪掉,
待再生分蘖长出后使其幼穗分化的减数分裂期处于
可育温度(昼 25 ,℃ 夜 20 )℃ 条件下, 借助镜鉴取再
生分蘖花粉母细胞处于二核期的幼穗, 同时留一穗
套袋自交以检测自交结实率。经调查, 不育条件和
可育条件下, 自交穗的自交结实率分别为 0 和 83%,
表明处理恰当, 可进行下一步分析。
3 种类型的小麦不育系和保持系材料分别为
1B/1R 类型(K3314A 和 3314B), 具有斯卑尔脱小麦
(Triticum spelta var. duhamelianum) 1B染色体片段的
非 1B/1R 类型 (A732 和 732B), 具有莫迦小麦
(Triticum macha) 1B 染色体片段的非 1B/1R 类型
(ATm3314 和 Tm3314B), 这 3 种不育系的细胞质均
为黏果山羊草(Ae. kotschyi)的 , 保持系的细胞质均
为普通小麦的。正常秋播条件下, 这 3 种不育系的
不育性稳定, 保持系正常可育。不育系和保持系材
料于 2006 年秋播种于西北农林科技大学农作一站
试验田, 2007 年 4 月借助镜检田间取花粉母细胞处
于二核期的幼穗, 取样后样品于液氮中速冻, −70℃
保存备用。
1.2 MADS-box基因的电子克隆及引物设计
以 YS 型小麦温敏雄性不育系 A3017 的不育
SSH-cDNA文库中与 MADS-box转录因子基因同源
的 EST 序列(EST-ID: 36925702, GenBank 登录号:
DY543239)为信息探针, 与 GenBank 的 dbEST 进行
同源性比对, 发现与 UniGene 的 Ta.12700 具有较高
同源性, 将该 Unigene 的所有 EST 序列下载, 利用
The CAP Sequence Assembly软件(http://bio.ifom-firc.
it/ASSEMBLY/assemble.html)进行在线序列拼接, 获
得重叠群(contig)序列。根据 contig序列, 利用 Primer
Premier 5.0软件设计引物 BT-L: 5′-CCAACAACAG
CGTGAAGCA-3′, BT-R: 5′-GGATAAAGTTGATTGT
GCGTGT-3′。
1.3 总 RNA的提取与纯化
采用 BIOZOL 试剂盒(Bioer, 杭州博日) 提取
A3017不育与可育幼穗的总 RNA。取 50~100 mg幼
穗, 于液氮中研磨后, 加BIOZOL缓冲液 1.0 mL, 按
说明书进行提取。总 RNA 溶于 20 μL DEPC-H2O,
DNase I (TaKaRa, 大连) 37℃处理 30 min, 抽提纯化
RNA。微量紫外分光光度计 (GENEQUANT pro,
Amersham Biosciences, Sweden) 检测 RNA 的浓度
和纯度。
采用离心柱型多糖多酚植物总 RNA 快速提取
试剂盒(Bioteke, 北京)提取 3 种不育系和保持系幼
穗的总 RNA。取 50~100 mg幼穗, 于液氮研磨后, 加
入 1.0 mL裂解液, 按说明书的操作提取。采用微量
紫外分光光度计(GENEQUANT pro)检测其浓度和
纯度。
1.4 RT-PCR
采用 AMV反转录酶和 Oligo(dT)合成 A3017不
育幼穗和可育幼穗的第一链 cDNA。20 μL反应体系
含 1×Reverse Transcriptase buffer、0.05 μg μL−1总
RNA、1 mmol L−1 dNTP、1 U μL−1 RNase inhibitor,
0.5 U μL−1AMV Reverse Transcriptase、5 μmol L−1
Oligo (dT)18引物; 混匀后, 稍离心, 42℃温育 1.5 h
后, 置冰上, −20℃保存备用。
将第一链 cDNA混合物稀释 4倍, 分别取 1.0、
1.5和 2.0 μL, 用引物 BT-L和 BT-R进行 PCR扩增。
扩增体系含相应量的 cDNA 模板 , 2.5 mmol L−1
dNTP 2.0 μL, 10×PCR buffer (含 Mg2＋) 2.5 μL, 10
μmol L−1 BT-L和 BT-R引物各 1.0 μL, 5 U μL−1 Taq
DNA聚合酶 0.25 μL, 以 ddH2O 补足 25 μL。扩增
程序为 94℃变性 3 min; 94 1℃ min, 54 1℃ min, 72 ℃
1 min, 35个循环; 72℃延伸 10 min; 4℃保存。用 1%
琼脂糖凝胶电泳检测 PCR扩增产物。
1.5 半定量 RT-PCR
采用 AMV 反转录酶和 Oligo(dT)合成 3种不育
系和保持系幼穗 cDNA 第一链。20 μL 反应体系包
括 1 μg μL−1总 RNA 1 μL, 5 × Reverse Transcriptase
buffer 4 μL, 10 mmol L−1 dNTP 2 μL, 40 U μL−1
RNase inhibitor 0.5 μL, 50 μmol L−1 Oligo(dT)18 2.0
μL, 5 U μL−1 AMV transcriptase 2 μL, DEPC-H2O 8.5
μL; 42℃温育 1.5 h, 反应后置于冰上, −20℃保存
备用。
根据小麦 18S rRNA 的序列设计一对特异引物
(IR-L: CTTCTTAGAGGGACTATGGC和 IR-R: TAC
GGAAACCTTGTTACGAC), 作为内参确定半定量
RT-PCR分析的 cDNA模板用量。
半定量 RT-PCR 扩增的反应体系含经内参调整
的适宜体积的 cDNA模板, 10×PCR buffer (含 Mg2+)
2.5 μL, dNTPs (各 2.5 mmol L−1) 2 μL, 10 mmol L−1
BT-L和 BT-R各 1.0 μL, 5 U μL−1 Taq DNA聚合酶
0.25 μL, ddH2O补齐至 25 μL。
PCR反应程序同 RT-PCR, 用 1 %琼脂糖凝胶电
泳检测扩增产物。
第 4期 璘周琳 等: 一个与小麦雄性不育育性转换相关的 MADS-box转录因子基因 601


1.6 PCR片段的克隆与测序
采用琼脂糖凝胶回收试剂盒(Agarose Gel DNA
Purification Kit Ver 2.0, TaKaRa, 大连) 回收 A3017
的 RT-PCR 扩增的目的片段 , 与 pGEM-T 载体
(Promega, 美国)连接, 转化大肠杆菌 DH5α 感受态
细胞, 用含青霉素的 LB平板和 SP6、T7引物的菌落
PCR筛选阳性克隆, 送上海英骏生物有限公司测序。
采用 U-gene H.Q.&.Q 凝胶回收试剂盒(优晶,
安徽 )回收 3 种不育系和保持系的目的片段 , 与
PMD20-T 载体(TaKaRa, 大连) 连接 , 转化大肠杆
菌 DH5α 感受态细胞 , 用含青霉素的 LB 平板和
M13-47、M13RV-M引物的菌落 PCR筛选阳性克隆,
送上海生工生物工程技术服务有限公司测序。
1.7 MADS-box基因的功能分析
采用Bioedit软件进行序列处理和多重序列比对,
采用 InterProScan (http://www.ebi.ac.uk/InterProScan/
index.html)在线进行结构域和功能位点预测 ; 用
SubLoc V1.0 (http://www.bioinfo.tsinghua.edu.cn/
SubLoc/)在线进行亚细胞定位; 用 NCBI的 BLASTx
在线进行同源性比对。
2 结果与分析
2.1 A3017不育和可育幼穗中的基因表达
利用 BIOZOL试剂盒提取的总 RNA, 经琼脂糖
凝胶快速电泳和微量紫外分光光度计检测, A260/A280
约为 2.0, A260/A230≥2.0, 表明其纯度较高。分别以
YS 型小麦温敏雄性不育系 A3017 不育幼穗和可育
幼穗的总 RNA反转录的 cDNA第一链为模板, 用引
物 BT-L 和 BT-R 进行扩增, 结果不育幼穗的 cDNA
可扩增出较强的约 660 bp的目的条带, 而可育幼穗
扩增出的目的条带很弱(图 1), 表明该基因在两种育
性不同的幼穗中的表达存在明显差异, 该基因可能
是 YS 型小麦温敏不育系育性转换中的重要基因,
其大量表达与不育性有关。

图 1 用 RT-PCR对 MADS-box 转录因子在 A3017的不育和可
育幼穗中表达的分析
Fig. 1 Expression analysis of MADS-box transcription factor
in male sterile and fertile spikes of A3017 by RT-PCR
M: DL2000; 1~3: 分别为 1.0、1.5和 2.0 µL的可育幼穗的 cDNA
模板; 4~6: 分别为 1.0、1.5和 2.0 µL的不育幼穗的 cDNA模板。
M: DL2000; 1–3: dosage of cDNA templates is 1.0, 1.5, and 2.0 µL
from fertile spikes, respectively; 4–6: dosage of cDNA templates is
1.0, 1.5, and 2.0 µL from sterile spikes, respectively.

2.2 序列分析
对不育幼穗中扩增的目标片段进行回收、克隆、
测序, 得到了 666 bp的 cDNA片段, 递交 GenBank
(序列号: EU169126), 利用 InterProScan 进行预测,
发现该序列最长的开放阅读框, 编码 160 个氨基酸,
具有 MADS box 蛋白典型的 K-box 结构域和
bZIP 转录因子结构域 (图 2) , 表明克隆得到一

图 2 TaMS-MADSbox的保守结构域和功能位点预测
Fig. 2 Prediction of conserved domain and function sites of TaMS-MADSbox
602 作 物 学 报 第 34卷

个编码 MADS box 蛋白的基因片段 , 定名为
TaMS-MADSbox。利用 SubLoc V1.0将该蛋白定位在
细胞核上。
2.3 同源比对与进化分析
利用该序列对人和小鼠以外的核酸序列数据库
进行同源性搜索, 发现该序列与小麦的 MADS-box
转录因子家族的 WAG mRNA 序列高度同源。以
TaMS-MADSbox编码的氨基酸序列与 GenBank中的
非冗余蛋白质数据库进行同源性搜索, 该序列与小
麦 MADS-box 转录因子基因 WAG 的氨基酸序列
(BAC22939)的同源性为 94%, 与大麦 HvAG2 蛋白
(AF486649)的同源性为 89%, 与水稻转录因子
OsMADS58(Q2V0P1)基因的同源性为 76%。根据
BLAST比对结果, 得到与 TaMS-MADSbox同源性较
高的部分植物的 MADS box基因的氨基酸序列的系
统进化树见图 3。

图 3 部分同源性较高的植物 MADS-box转录因子氨基酸序列的系统进化树
Fig. 3 Phylogenetic tree based on amino acid sequences of MADS-box transcription factors in some plants

小麦的 MADS box家族转录因子基因多参与春
化作用 , 控制小麦从营养生长向生殖生长的转
变[16,26], 小麦MADS-box转录因子WAG与异质小麦
的雄蕊心皮化相关[18-20]; 大麦 HvAG2 蛋白是含有
MADS-box 结构的基因家族 , 主要参与春化过程 ,
调控营养生长向生殖生长的转变及胚的发育过程
等[27]; 水稻 OsMADS58在花器官的分化和发育中具
有重要的作用[28]。因此, 推测 TaMS-MADSbox 编码
的蛋白质与小麦的雄蕊发育有关, 该基因在不育幼
穗中的过量表达可能是导致 YS 型小麦温敏雄性不
育系在低温下不育的重要原因, 至于产生该基因在
YS 型小麦温敏不育系在低温和高温下表达差异的
原因还需进一步研究。
2.4 不育系和保持系幼穗中的表达分析
利用小麦 18S 核糖体 RNA 基因的特异引物 IR
进行RT-PCR扩增, 对 3种不同类型的小麦不育性和
保持系的 cDNA 用量进行调整, 调整到基因扩增产
物亮度基本一致后, 进行 TaMS-MADSbox 引物的半
定量 RT-PCR扩增(图 4)。结果表明, TaMS-MADSbox
基因的表达在 3 种不同类型的小麦不育系和保持系
的幼穗中存在明显差异, 在不育系的幼穗中表达量
较高, 而在相应保持系的幼穗中表达量较低。该基
因的表达确与小麦雄性不育的育性转换有关, 该基
因的大量表达与其不育性密切相关。

图 4 TaMS-MADSbox基因在不育系和保持系中的表达差异
Fig. 4 Expression difference of TaMS-MADSbox between the
spikes from male sterile wheat lines and their maintainers
M: DNA分子量标准; 1~6: 分别以 3314B、K3314A、Tm3314B、
ATm3314、732B和 A732的幼穗的 cDNA为模板。
M: DL2000; 1–6: cDNA templates from 3314B, K3314A, Tm3314B,
ATm3314, 732B, and A732, respectively.

第 4期 璘周琳 等: 一个与小麦雄性不育育性转换相关的 MADS-box转录因子基因 603


对 3 种不育系和保持系半定量 RT-PCR 扩增的
片段进行回收、克隆、测序, 均得到 660 bp左右的
cDNA 片段。序列多重比较分析表明, YS 型小麦温
敏不育系 A3017的不育和可育幼穗及 3种类型的不
育系和保持系幼穗中扩增的 cDNA 片段差异较小,
基本上为单碱基差异。由于所扩增的 cDNA 片段仅
为该基因的部分序列, 因此, 推测导致该基因表达
差异的主要原因可能是该基因其他编码区的序列差
异, 或者是启动子序列的差异等原因, 还需进一步
研究证实。
3 讨论
3.1 MADS-box 转录因子基因与春化作用
Trevaski 等[26]对小麦与大麦中多个 MADS-box
基因的表达与春化作用的关系作了系统分析。
Danyluk 等[29]在研究小麦的春化作用机制中, 分离
出与春化过程相关的基因 TaVRT-1, 该基因编码的
蛋白质与拟南芥控制花发育的 MADS-box 转录因子
同源 , 受光周期调控 , 其表达与春化作用 , 即小麦
从营养生长向生殖生长的转变有关。Ndjido 等[30]通
过分析春化基因 TaVRT-2 的分子机制及功能, 认为
该基因编码的蛋白质与抑制开花的 MADS box 转
录因子同源, 是小麦的花发育抑制因子。小麦中具
有 MADS-box 结构域的 WAP1 基因, 在没有春化要
求和光周期敏感的转基因植物中其表达受到抑制 ,
而在加强春化过程或长光周期诱导下大量表达, 因
此 WAP1 基因可能是小麦从营养生长向生殖生长转
变的一个关键基因 [ 1 7 - 2 0 ]。本研究以不育的 SSH-
cDNA 文库中与 MADS-box 转录因子具有同源性的
序列为基础进行电子克隆, 从 YS 型小麦温敏雄性
不育系的不育幼穗的 cDNA中克隆出与 MADS box
转录因子高度同源的序列 TaMS-MADSbox, 发现该
序列具有 MADS-box 蛋白典型的 K-box 结构域和
bZIP 转录因子结构域, 推测其编码的蛋白质与小麦
的雄蕊发育有关, 该基因在不育幼穗中的过量表达
可能是通过春化作用的调控来调节 YS 型小麦温敏
雄性不育系在低温和高温下的育性表达。
3.2 MADS-box 转录因子基因与小麦雄性不育
的育性转换
Murai 等[17-20]分析粗厚山羊草(Ae. crassa)细胞
质的异质小麦农林 26的雄蕊心皮化现象时, 发现雄
蕊心皮化现象由 B组MADS-box基因表达模式的改
变引起。孙清萍等[31]研究了红莲型水稻不育系花粉
发育不同时期 MADS-box 基因家族的表达差异, 发
现 MADS-box 基因的表达明显受到细胞质的影响,
认为 MADS-box 基因家族参与了水稻细胞质不育和
育性恢复的核质互作。袁自强等 [32]在研究水稻
MADS-box基因与形态发生的关系时, 运用 RT-PCR
的方法从水稻珍汕 97B 的幼穗中分离和克隆了两个
MADS-box基因 nmads1和 nmads3, 分子杂交发现处
在同一发育阶段的水稻幼穗中核质互作雄性不育系
珍汕 97A 比其保持系珍汕 97B 多一个特异表达的
nmads1 的基因产物。本研究从 YS 型小麦温敏雄性
不育系的不育幼穗的 cDNA 中克隆出一个
MADS-box 基因的部分片段, 该基因在可育幼穗的
表达很弱, 因此推测, YS 型小麦温敏雄性不育系在
低温条件下不育性受到抑制可能与该 MADS-box 基
因的大量表达有关。该基因在不育系的幼穗中表达
量较高, 而在相应保持系的幼穗中表达量较低。这
种表达差异为了解小麦雄性不育育性转换的调控机
制提供了一条重要线索。
4 结论
从 YS 型小麦温敏雄性不育系的不育幼穗的
cDNA 中克隆出与一个与 MADS-box 转录因子高度
同源的基因片段 TaMS-MADSbox, 而可育幼穗中扩
增出的片段很弱。根据与该基因同源性较高的
MADS-box 转录因子基因在小麦、大麦和水稻中的
功能推测, YS型小麦温敏雄性不育系在低温和高温
条件下的育性转换可能与该 MADS-box 转录因子基
因的表达差异有关。该基因在不育系的幼穗中表达
量较高, 在相应保持系的幼穗中表达量较低, 表明
其表达与小麦雄性不育的育性转换有关, 该基因的
大量表达导致不育。
References
[1] Qiu Z-G (邱振国 ). Research progress and application of
photo thermo sensitive genic male sterile rice. J Anhui Agric
Sci(安徽农业科学), 2006, 34(20): 5228–5230 (in Chinese
with English abstract)
[2] Zhang Q F, Shen B Z, Dai X K, Mei M H, Saghai Maroof M A,
Li Z B. Using bulked extremes and recessive class to map
gene for photoperiod-sensitive genic male sterility in rice.
Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91: 8675–8679
[3] Yamaguchi Y, Ikeda R, Hirasawa H. Linkage analysis of
thermo sensitive genic male sterility gene tms2 in rice. Breed
Sci, 1997, 47: 371–373
[4] Jia J H, Zhang D S, Li C Y, Qu X P, Wang S W, Chamarerk V,
Nguyen H T, Wang B. Molecular mapping of the reverse
thermo-sensitive genic male sterile gene (rtms1) in rice.
604 作 物 学 报 第 34卷

Theor Appl Genet, 2001, 103: 607–612
[5] Subudhi P K, Virmani S S, Huang N. A TGMS-linked nuclear
DNA marker as originated from the mitochondrial genome in
rice. Heredity, 1998, 80: 285–292
[6] Reddy O U K, Siddiq E A, Ali J. Identifying molecular mark-
ers for the gene(s) governing thermo sensitive genic male ste-
rility in rice. Intl Rice Res Notes, 1998, 23: 10–11
[7] Li X H, Lu Q, Wang F L, Xu C G, Zhang Q F. Separation of
the two-locus inheritance of photoperiod-sensitive genic male
sterility in rice. Euphyitca, 2001, 119: 343–348
[8] Huang Q-L(黄庆榴), Tang X-H(唐锡华), Mao J-L(茅剑蕾).
Photoperiodic and temperature responses of a japonica pho-
toperiod-sensitive male-sterile line 700Is and their effect on
fertility and anther protein. Acta Agron Sin(作物学报), 1994,
20(3): 156–160 (in Chinese with English abstract)
[9] Wang T(王台), Tong Z(童哲), Kuang T-Y(匡廷云). Analysis
on amino-terminal sequence and purification of a 61 kD pro-
tein from photoperiod-sensitive genic male-sterile rice. Acta
Bot Sin (植物学报), 1996, 38(10): 772–776 (in Chinese with
English abstract)
[10] Wang T(王台), Zhao Y-J(赵玉锦), Kuang T-Y(匡廷云). P61
protein from a male sterile mutant of rice is an isoform of the
chloroplast ATPase β subunit. Acta Bot Sin (植物学报), 2000,
42(1): 169–173 (in Chinese with English abstract)
[11] Mi Z-Y(米志勇), Wang S-S (王树生), Wu N-H(吴乃虎).
Isolation of osRACD gene encoding a small GTP binding
protein from rice. Chin Sci Bull (科学通报), 2000, 45(19):
2047–2055(in Chinese)
[12] Li J(李军), Liang C-Y(梁春阳), Yang J-L(杨继良). Cloning
of the APRT gene from rice and analysis of its association
with TGMS. Acta Bot Sin (植物学报 ), 2003, 45(11):
1319–1328 (in Chinese with English abstract)
[13] Zhuang C-X(庄楚雄), Xu S-X(徐是雄), Lu Y-G(卢永根), Qiu
Z-P(邱志平). Molecular cloning of rice cDNAs related to pollen
development using the subtraction hybridization technique. Chin
Sci Bull (科学通报), 1999, 44(17): 1842–1846(in Chinese)
[14] Ogihara Y. Clone of cDNA specially expressed in wheat
spikelets at the heading stage. Plant Sci, 1998, 135: 49–62
[15] Cao S-H(曹双河), Liu D-C(刘冬成), Liu L-K(刘立科). Differ-
ential expression of genes related to photoperiod-temperature
sensitive genic male sterility in wheat: revealed by mRNA dif-
ferential display using G-box family primer. Acta Genet Sin (遗
传学报), 2003, 30(1): 56–61 (in Chinese with English abstract)
[16] Lü S-H(吕山花 ), Meng Z(孟征 ). Gene duplication and
functional diversification in the MADS-box gene family. Chin
Bull Bot(植物学通报), 2007, 24(1): 60–70 (in Chinese with
English abstract)
[17] Murai K, Takumi S, Koga H, Ogihara Y. Pistillody, homeotic
transformation of stamens into pistil-like structures, caused by nu-
clear-cytoplasm interaction in wheat. Plant J, 2002, 29: 169–181
[18] Murai K, Miyamae M, Kato H, Takumi S, Ogihara Y. WAP1,
a wheat APETALA1 homolog, plays a central role in the
phase transition from vegetative to reproductive growth. Plant
Cell Physiol, 2003, 44: 1255–1265
[19] Meguro A, Takumi S, Ogihara Y, Murai K. WAG, a wheat
AGAMOUS homolog, is associated with development of pis-
til-like stamens in alloplasmic wheats. Sex Plant Reprod,
2003, 15: 221–230
[20] Hama E, Takumi S, Ogihara Y, Murai K. Pistillody is caused
by alterations to the class-B MADS-box gene expression pat-
tern in alloplasmic wheats. Planta, 2004, 218: 712–720
[21] He B-R(何蓓如), Dong P-H(董普辉), Song X-Y(宋喜悦).
Study on the thermo- sensitivity of thermo-sensitive
male-sterile wheat line A3314. J Triticeae Crop(麦类作物学
报), 2003, 23(1): 1–6 (in Chinese with English abstract)
[22] Song G-Q(宋国琦 ), Hu Y-G(胡银岗 ), Lin F-Y(林凡云 ),
Dong P-H(董普辉), He B-R(何蓓如). cDNA-AFLP analysis
of fertility-alteration genes in a thermo-sensitive male sterile
line of YS wheat. Acta Bot Boreal-Occiden Sin (西北植物学
报), 2006, 26(4): 661–666(in Chinese with English abstract)
[23] Song G-Q(宋国琦 ), Hu Y-G(胡银岗 ), Lin F-Y(林凡云 ),
Dong P-H(董普辉), He B-R(何蓓如). SSH analysis of fertil-
ity-related genes of YS type thermo-sensitive male sterile line
A3017. Acta Bot Boreal-Occident Sin(西北植物学报), 2006,
26 (7): 1031–1038(in Chinese with English abstract)
[24] Gill R W, Sanseau P. Rapid in silico cloning of genes using
expressed sequence tags (ESTs). Biotechnol Annu Rev, 2000,
5: 25–44
[25] Huang J(黄骥), Wang J-F(王建飞), Zhang H-S(张红生). In
silico cloning of glucose-6-phosphate dehydrogenase cDNA
from rice. Acta Genet Sin (遗传学报 ), 2002, 29(11):
1012–1016 (in Chinese with English abstract)
[26] Trevaskis B, Bagnall D J, Ellis M H, Peacock W J, Dennis E.
S. MADS box genes control vernalization-induced flowering
in cereals, Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100: 13099–13104
[27] Faure S, Higgins J, Turner A S, Laurie D A. The
FLOWERING LOCUS T-like gene family in barley (Hordeum
vulgare). Genetics, 2007, 176: 599–609
[28] Yamaguchi T, Lee D Y, Miyao A, Hirochika H, An G, Hirano
H Y. Functional diversification of the two C-class MADS box
genes OSMADS3 and OSMADS58 in Oryza sativa. Plant Cell,
2006, 18: 15–28
[29] Danyluk J, Kane N A, Breton G, Limin A E, Fowler D B,
Sarhan F. TaVRT-1, a putative transcription factor associated
with vegetative to reproductive transition in cereals. Plant
Physiol, 2003, 132: 1849–1860
[30] Kane N A, Danyluk J, Tardif G, Ouellet F, Laliberte J F, Limin
A E, Fowler D B, Sarhan F. TaVRT-2, a member of the
StMADS-11 clade of flowering repressors, is regulated by
vernalization and photoperiod in wheat. Plant Physiol, 2005,
138: 2354–2363
[31] Sun Q-P(孙清萍), Wang L(汪莉), Yi P(易平). Expression
analysis of MADS-box gene family on uni-nucleate and
bi-nucleate stage anthers on HL-CMS system. J Wuhan Bot
Res (武汉植物学研究), 2002, 20(5): 325–328 (in Chinese
with English abstract)
[32] Yuan Z-Q(袁自强), Qian X-Y(钱晓茵), Liu J(刘军), Liu
J-D(刘建东), Qian M( 旻钱 ), Yang J-S(杨金水). Molecular
cloning and analysis of two MADS box cDNA in rice. Prog
Natl Sci(自然科学进展), 2000, 10(2): 129–134(in Chinese)