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Tissue Transcription Specificity of R Region in Mitochondrial DNA of S-type CMS Maize

玉米S型CMS线粒体DNA中R区转录的组织特异性



全 文 :Vol. 30 , No. 7
pp. 629 - 633  July , 2004
作  物  学  报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 7 期
2004 年 7 月  629~633 页
玉米 S 型 CMS 线粒体 DNA 中 R区转录的组织特异性
张赛群 张方东 肖海林 郑用琏 Ξ
(华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室 ,湖北武汉 430070)
摘  要  玉米 S型 CMS为配子体雄性不育类型 ,其线粒体 DNA 上的 R 区被证明与胞质育性密切相关。R 区含有 orf355
和 orf77 两个开放阅读框 ,被认为是玉米 S2CMS重要的胞质育性候选基因。本研究通过对一组同质异核的 S型 CMS材料
R 区转录产物的 Northern 分析和 RT2PCR 检测 ,揭示了线粒体 DNA 中 R 区的双链转录模式及其中 orf3552orf77 mRNA 链转
录长度的组织特异性 ,并发现核基因 rf3 和 Rf3 特异性地导致雄配子中 R 区转录或加工情形的变化 ,而对黄化苗和单核
花粉期叶片中 R 区的转录无影响。R 区的这种转录模式及调控机制可能是玉米 S2CMS的重要成因。
关键词  玉米 ; S型 CMS; 线粒体 DNA ; R区 ; 转录
中图分类号 :S513
Tissue Transcription Specif icity of R Region in Mitochondrial DNA of S2type
CMS Maize
ZHANG Sai2Qun , ZHANG Fang2Dong , XIAO Hai2Lin , ZHENG Yong2Lian 3
( National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement , Huazhong Agricultural University , Wuhan 430070 , Hubei , China)
Abstract  S type CMS in maize is gametophyte male sterility different from other CMS types in maize and it is proved that
the recombination region R in the mitochondria DNA is tightly associated with cytoplasmic sterility phenotype. Two open
reading frames - orf355 and orf77 in R region is regarded as candidate cytoplasmic gene for CMS. Northern and RT2PCR
analysis in this research demonstrated a double2strand2transcribing2model of R region and its tissue transcription specificity.
In addition , nuclear sterile gene rf3 and nuclear fertile restore gene Rf3 were found to lead typically to the changes of the
method of transcription or post2transcription process of R region in tassel , but not in etiolated shoot or leaf in the stage of
monocaryon2pollen. The transcribing model of R region and the regulation mechanism for the transcription of R region
maybe the causes of S type CMS in maize.
Key words  Maize ( Zea mays L. ) ; S type CMS; Mitochondrial DNA ; R region ; Transcription
  细胞质雄性不育 ( cytoplastic male sterile ,简称
CMS)是高等植物中普遍存在的一种现象。由线粒
体 DNA(mtDNA)分子内与分子间重组所形成的嵌合
基因 , 是目前业已研究的玉米、矮牵牛、向日葵、水
稻、油菜、高粱、拟南芥等高等植物 CMS 的重要胞质
育性候选基因[1 ] 。但在不同植物或者相同植物的不
同 CMS类型之间 ,这种嵌合基因座位在 mRNA 或蛋
白质水平上的表达 ,存在明显的发育阶段或组织特
异性的差异[2~5 ] 。
S组 CMS是玉米 CMS 种质资源中最为丰富的
一个类型。玉米 S2CMS 为配子体雄性不育 ,其雄配
子的败育多发生在单核晚期至二核期 ,败育的发生
取决于雄配子自身的核质基因的互作方式 ,即只有
当雄配子的核质基因组均带有不育基因时 ,雄配子
体才会夭折 ,形成空泡状的花粉[6 ] 。
玉米 S2CMS的胞质不育基因证明与 mtDNA 上
R 区 (高频重组区) 密切相关[7~9 ] 。Zabala 等[10 ]对 S
胞质 CMS 材料 mtDNA 的序列分析发现 , R 区含有
orf355、orf77 两个开放阅读框 ,并认为它们是玉米 S2
CMS重要的胞质候选基因 , 同时通过 Northern 分析
证明在一些不育材料、育性自主回复材料及带有恢
复基因 Rf3 的育性恢复材料中 , R 区转录本的类型
与育性的表现存在明显的相关。在所有回复突变体
中 ,1. 6 kb 的转录本均消失 ;当引入核恢复基因 Rf3Ξ基金项目 :国家自然科学基金课题 (30070475) ;“948”课题 (201010) ;国家“973”课题 (2001CB108) 。
作者简介 :张赛群 (1973 - ) ,女 ,湖北汉川人 ,博士研究生。3通讯作者 :郑用琏。E2mail : zhyl @mail . hzau. edu. cn
Received(收稿日期) :2003203228 ,Accepted (接受日期) :2003205215.

时 ,在所有被研究的核背景下 ,R 区包括 1. 6 kb 在内
的所有主要转录本的丰度均降低 ,并不表现组织的
特异性 ,在雄穗和雌穗中 ,R 区表现相同的转录模
式。然而 Wen & Chase 对 orf3552orf77 在不同发育
时期表达的动态研究却发现 :不育材料及育性恢复
材料幼苗期 orf3552orf77 无转录产物 ;从雄配子体小
孢子液泡化前期到花粉败育的整个时期 ,不育材料
中均检测到 2. 8 kb 和 1. 6 kb 转录产物 ;而带有 Rf3
的雄配子体从淀粉积累期开始到小孢子发育成熟过
程中 ,2. 8 kb 和 1. 6 kb 转录本变小 ,丰度降低[11 ,12 ] 。
因此 ,关于玉米 S2CMS材料中 R 区的转录及调控模
式尚无定论。
张方东等对我国唐徐型、双型、J 型胞质等玉米
S 型 CMS的 mtDNA 研究也发现 R 区的存在[13 ] 。本
研究拟对一组同质异核的唐徐型胞质 CMS 试材 ,进
行Northern 和 RT2PCR 分析 , 旨在研究唐徐型不育
胞质 mtDNA 中 R 区在不同核背景的控制下 ,不同组
织的转录特异性 , 探索玉米 S 组 CMS的分子生物学
机理。
1  材料与方法
1. 1  供试材料
表 1 实验材料名称、特性及基因型
Table 1 Names , characteristics and genotypes of materials
材料名称 Material 育性 Fertility 恢复背景Restorer genotype
唐徐 77 Tangxu 77 不育 Sterile rf3rf3
唐徐 HZ85 Tangxu HZ85 不育 Sterile rf3rf3
唐徐 77 ×HZ129 Tangxu 77 ×HZ129 可育 Fertile Rf3rf3
唐徐 HZ85 ×S7913 Tangxu HZ85 ×S7913 可育 Fertile Rf3rf3
1. 2  反转录( revert transcription RT)及 PCR引物
P1 :5′2GTTCCATGGGCATCGTTTGAC ( R 区 + 68
到 + 88 bp) ;
P2 : 5′2CCCCCTCGAACAAAGTCAAAA ( R 区 +
1 703到 + 1 723 bp) ;
P3 :5′2CGTCTAGAGAGCACGATTCGATATT ( R 区
+ 328 到 + 345 bp) 。
  各引物对应的 R 区的位置如图 1 所示。
1. 3  总 RNA的提取
黄化苗、单核花粉期左右的叶片及雄穗小花采
样后立即置 - 70 ℃冰箱保存。抽提 RNA 时先于液
氮中研磨成粉末 ,然后按 10 mL/ g 样品加入 Trizol
( Gibco) ,按 RNA 提取试剂盒说明书步骤提取总
RNA。用 Beckman DU520 紫外分光光度计测定浓
度 ,将所有样品浓度调整至 1. 2μg/μL。
1. 4  Northern 探针的制备
根据 Zhang & Zheng (2000) [13 ]提供的 R 区的序
列 , 设计左引物 P1 和右引物 P2 ,PCR 扩增产物经纯
化后作为探针。扩增的片段长度为 1 654 bp ,几乎
包括整个 R 区。PCR 反应程序为 : 94 ℃, 3 min ;
94 ℃,1 min , 62 ℃, 1 min , 72 ℃, 1 min ,循环 30 次 ;
72 ℃,5 min ;4 ℃,保存。
1. 5  Northern 杂交分析
RNA 上样量为 10 μg。详细步骤参照 Current
Protocols in Molecule Biology(1997) UNIT 4. 9[14 ]进行。
1. 6  线粒体 RNA( mitochondrial RNA , mtRNA) 的
提取
  黄化苗 ,雄穗线粒体提取参考 Singh & Brown
(1991)方法[15 ] 。得到线粒体沉淀后加入 Trizol ( Gib2
co) ,并按其说明书提取 mtRNA。
1. 7  反转录合成第一链 cDNA
在合成第一条 cDNA 链之前 ,先用 DNase Ⅰ处理
mtRNA 样品 ,消化可能混入的 mtDNA ,然后利用 Re2
vertaidTM H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit #
K1631(MBI)试剂盒合成第一链 cDNA。反转录引物
P1、P2 如前所述。
1. 8  RT2PCR
第一条 cDNA 链合成以后 ,用 RNase H 和 RNase
A 消化 mtRNA 模板。然后分别以 P1、P2 和 P3、P2 两
对引物进行 PCR 扩增。PCR 反应程序为 : 94 ℃, 3
min ;94 ℃,1 min ,62 ℃,1 min ,72 ℃,1 min ,循环 35 次 ;
72 ℃,5 min ;4 ℃,保存。
1. 9  RT2PCR产物的序列分析
回收 RT2PCR 产物 ,克隆至 p GEM○R2T Easy Vector
(Promega) ,由上海生物工程公司测序。
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图 1 R区结构示意图及 PCR、RT2PCR引物位置和方向
Fig. 1 Structure of R region and the orientation of the primers for PCR and RT2PCR
图中的小箭头表示引物的方向。长箭头表示 orf3552orf77 和 cox Ⅰ/ cox Ⅱ的转录方向。
Short arrows in the figure show the directions of primers. Long arrows in the figure show
the transcription directions of orf3552orf77 and cox Ⅰ/ cox Ⅱ.
2  结果与分析
2. 1  黄化苗、单核花粉期叶片总 RNA 的 Northern
分析
在 4 种供试材料的黄化苗和单核花粉期叶片的
总 RNA 中 ,以 R 区 P1 和 P2 引物扩增的 1. 6 kb 的产
物为探针 ,均能检测到大小分别为 2. 8、1. 6、1. 1、
019、0. 7、0. 4 kb 的 6 个转录本 (图 2) 。结果说明 ,R
区在黄化苗和单核花粉期的叶片中都有转录 ,而且
其转录不受恢复基因的影响。
图 2 黄化苗、单核花粉期叶片总 RNA的 Northern 分析结果
Fig. 2 Northern analysis of etiolated shoot and leaf
in the stage of monocaryon2pollen
1~4 :黄化苗 RNA ;1 :唐徐 77 ×HZ129 ;2 :唐徐 77 ;3 :唐徐 HZ85 ;
4 :唐徐 HZ85 ×S7913 ;5~8 :叶片 RNA ;5 :唐徐 77 ;6 :唐徐 HZ85 ;
7 :唐徐 77 ×HZ129 ;8 :唐徐 HZ85 ×S7913。
1 - 4 :RNA from etiolated shoots ;
1 :Tangxu 77 ×HZ129 ;2 :Tangxu 77 ;3 :Tangxu HZ85
4 :Tangxu HZ85 ×S7913 ;5 - 8 :RNA from leaf ;5 :Tangxu 77 ×HZ129 ;
6 :Tangxu 77 ;7 :Tangxu HZ85 ;8 :Tangxu HZ85 ×S7913.
2. 2  雄穗总 RNA的 Northern 分析
在不育材料唐徐 77 和唐徐 HZ85 雄穗中 ,R 区
探针也检测到大小分别为 2. 8、1. 6、1. 1、0. 9、0. 7 和
0. 4 kb 的 6 个转录本 ;而唐徐 77 ×HZ129、黄化苗唐
徐 HZ85 ×S7913 两种育性恢复材料雄穗中 ,2. 8、1. 6
kb 2 个转录本则明显减少 ,而其他 4 个转录本则没
有明显变化 (图 3) 。
图 3 雄穗总 RNA的 Northern 分析结果
Fig. 3 Northern analysis of tassel in the stage of single2nuclear pollen
1 :唐徐 77 ×HZ129 ;2 :唐徐 77 ;3 :唐徐 HZ85 ;4 :唐徐 HZ85 ×S7913。
1 :Tangxu 77 ×HZ129 ;2 :Tangxu 77 ;3 :Tangxu HZ85 ;4 :Tangxu HZ85 ×S7913.
综合上述黄化苗、单核花粉期叶片总 RNA 的
Northern 分析结果可以看出 :在不育材料的黄化苗、
叶片及雄穗小花中 ,R 区基因的转录模式完全相同 ,
不存在生长发育时期及组织器官的表达特异性。恢
复基因 Rf3 仅仅导致雄穗小花中 R 区 2. 8 kb 和 1. 6
kb 两个转录本的丰度明显降低 ,而对黄化苗、叶片
无影响。
2. 3  黄化苗、单核花粉期雄穗 mtRNA 的 RT2PCR
分析
  分别以 P1、P2 为特异反转录引物 , 对唐徐 77 ,
唐徐 HZ85 ×S7913 的黄化苗 mtRNA 以及唐徐 HZ85、
唐徐 77 ×HZ129 雄穗 mtRNA 进行 RT2PCR 分析。
以 P1 为特异反转录引物 ,获得第一条 cDNA
136 7 期 张赛群等 :玉米 S型 CMS线粒体 DNA 中 R 区转录的组织特异性    

链 ,然后以 P1、P2 进行 PCR 扩增 ,在上述 4 种试材
mtRNA 中均获得相同的 RT2PCR 产物 ,序列分析表
明扩增片段与 R 区 DNA 序列完全相同 (资料未列
出) 。
以 P2 为特异反转录引物 ,获得第一条 cDNA
链 ,然后以 P1、P2 进行 PCR 扩增 ,结果表明 :仅唐徐
HZ85 雄穗 mtRNA 能扩增出一条 1. 6 kb 的带 (图 4 ,
1~4 泳道) ,并且序列分析表明其与 R 区 DNA 序列
完全相同。然后以 P3、P2 进行 PCR 扩增 ,则在上述
4 种试材 mtRNA 的 RT2PCR 均得到 1 个 1. 4 kb 的产
物 (图 4 , 5~8 泳道) ;序列分析证明它们均与 R 区
上对应的 DNA 序列完全相同。
图 4 P2 作为 RT引物的 RT2PCR产物琼脂糖凝胶电泳结果
Fig. 4 The agarose electrophoresis results of
RT2PCR when P2 as primer for RT
1~4 :P1、P2 为 PCR 引物 ;1 :唐徐 HZ85 ×S7913 黄花苗 ;
2 :唐徐 77 黄化苗 ;3 :唐徐 HZ85 雄穗 ;4 :唐徐 77 ×HZ129 雄穗 ;
5~8 :P3、P2 为 PCR 引物。样品名称和顺序同上。
1 - 4 :P1 , P2 as PCR primers ;1 : Etiolated shoot of Tangxu HZ85 ×S7913 ;
2 : Etiolated shoot of Tangxu 77 ;3 :Tassel of Tangxu HZ85 ;
4 :Tassel of Tangxu 77 ×S7913 ;5 - 8 :P3 , P2 as PCR primers.
Material names and the order are as same as above.
P1、P2 均能作为反转录引物得到第一链 cDNA ,
这个结果表明 ,R 区基因座的 DNA 表现为双链转录
模式。其中 P2 以 orf3552orf77 mRNA 链作为模板反
转录 ,P1 则以其互补 mRNA 链 ( cox Ⅰ/ cox ⅡmRNA
链)作为模板反转录。而 RT2PCR 结果表明 :不同核
恢复基因型背景材料及在不同的生长发育时期下 ,
orf3552orf77mRNA 链的长度不同 , 但与其互补的
cox Ⅰ/ cox ⅡmRNA 链的长度不受影响。在 S2rf3rf3
雄穗小花中 ,R 区 orf3552orf77 模板链在 P1、P2 的区
段内全长转录 ,而在 S2rf3rf3 黄化苗、S2Rf3rf3 黄化
苗和雄穗小花中 , orf3552orf77 的 mRNA 在 5′端缩
短 ,且缩短的区段在 P1 和 P3 之间 ,即从 R 区的起始
IR 区到 + 328 bp 的区段 ,但具体的缩短的位置和机
制尚需进一步研究分析。
3  讨论
不同玉米 S2CMS 材料中均发现线粒体 DNA 中
存在着复杂的高频重组 R 区。本研究以 R 区的
DNA 片段为探针 ,对玉米 S2CMS 不育材料和育性恢
复材料进行 Northern 分析 ,在不育或育性恢复材料
黄化苗、成株期叶片及不育材料的雄穗中 ,R 区探针
均检测到 6 个大小分别为 2. 8、1. 6、1. 1、0. 9、0. 7 及
0. 4 kb 的转录本 ,而当核恢复基因 Rf3 存在时 ,育性
恢复材料雄穗中 2. 8 kb 和 1. 6 kb 2 个转录本丰度明
显降低。这一结果说明恢复基因 Rf3 仅对雄穗中 R
区的转录本有影响 ,而对黄化苗、叶片中 R 区的转
录本无影响。据此 ,推测玉米 S2CMS 育性恢复的主
要因素来源于核育性恢复基因 Rf3 对 R 区转录本
的调控。可能由于核恢复基因 Rf3 蛋白质产物在雄
穗中特异性地高水平积累 ,进而对 R 区转录水平进
行调控或对转录产物进行加工 ,从而消除 R 区转录
产物所引起的不育效应 ,使植株育性得以恢复。已
被克隆的玉米 T2CMS 的核恢复基因 Rf2 ,其蛋白质
产物 ALDH已被证实在玉米各器官中均可检测到 ,
但在绒毡层和小孢子中其含量却远远高于其他部
位 ,并被间接证明与育性恢复相关[16 ] 。
同时 ,上述推测也可以解释可育雄穗中 R 区转
录产物的 RT2PCR 结果和 Northern 分析结果的差异。
RT2PCR 分析显示 : R 区 DNA 的转录方式在可育雄
穗与黄化苗、叶片是相同 ;而 Northern 分析则发现 :
黄化苗和叶片中 R 区 2. 8 kb 和 1. 6 kb 的两个转录
本 ,在含有核恢复基因 Rf3 的雄穗中却检测不到。
这可能是因为 Rf3 基因产物使可育雄穗中 R 区 2. 8
kb 和 1. 6 kb 的两个转录本丰度较低 , 采用 Northern
杂交技术难以检测到 ,但利用 PCR 技术 ,对 RT产物
经扩增放大后可被检测所致。显然对上述的这种理
论推测还有待 Rf3 基因的克隆与功能研究 , 才能得
以证实。
与可育和不育基因型的黄化苗、叶片及可育基
因型的雄穗相比 ,不育雄穗中 orf3552orf77 mRNA 链
在 5′端有所延长 ,这说明 rf3 也可能存在基因产物 ,
而且会导致不育雄穗中 R 区特定转录本长度的变
化。但是这种长度的变化我们却未能在 Northern 分
析中检测到 ,这可能是由于延长的碱基数比较少 ,转
录本的分子量变化较小 ,电泳不能有效分离的缘故 ;
或者 S rf3配子中除了存在与其他组织相同的 R 区的
转录本以外 ,还能特异性地产生很少的这种较长的
orf3552orf77mRNA ,但是却导致了 CMS的发生。
在 S Rf3rf3植株的雄穗中 ,存在着 SRf3和 S rf3两种
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雄配子类型 ,且其理论比例为 1∶1 ,但是本实验对
S Rf3rf3植株雄穗的 Northern 和 RT2PCR 的分析中 ,其
S rf3配子的 R 区特异的转录产物都没能检测到。由
于玉米 S2CMS 雄配子的败育多发生在单核晚期至
二核期 ,可能在单核花粉期时 , S rf3配子已开始发生
一系列降解相关反应 ,其线粒体含量及 RNA 含量均
急速下降 ,从而导致在 S Rf3rf3植株雄穗 (含 SRf3和 S rf3
两种雄配子 ) 的混合 mRNA 中 , 来自 S rf3 配子的
mRNA比例极低。
玉米 S 组 CMS属配子体雄性不育类型 , 花粉育
性的表现直接受控于雄配子体的基因型 ,这与本实
验所发现的 R 区仅在雄配子中具有不同的转录或
转录后加工情形相吻合。
R 区的双链转录模式以及 orf3552orf77 mRNA
链转录的组织特异性可能是玉米 S2CMS 表型的重
要成因。orf3552orf77 作为玉米 S2CMS 重要的候选
基因 ,其 mRNA 仅仅在不育雄穗中表现较长的转录 ,
因此与雄性不育表型可能直接相关。cox Ⅰ和 cox Ⅱ
基因均有报道仅位于 R 区上游 ,而且转录方向与
orf3552orf77 的转录方向相反 (图 1) [13 ,17 ]。可能在
S rf3雄配子中 ,其 orf3552orf77 的 mRNA 上包括了与
cox Ⅰ/ cox ⅡmRNA 互补的片段 ,从而与 cox Ⅰ/ cox
ⅡmRNA 形成双链 ,或者不育雄穗中这种特定的 R
区的双链 mRNA 结构稳定并具有与 RNA 干涉
(RNAi) 现象相似的作用 ,从而干扰 cox Ⅰ/ cox Ⅱ
mRNA 的正常加工或翻译。由于 cox Ⅰ/ cox Ⅱ为呼
吸链上重要酶的亚基 ,其功能受阻必然导致能量代
谢的亏空 ,从而使需求能量较高的小孢子败育。而
S Rf3雄配子中的 orf3552orf77 的 mRNA 结构不稳定 ,
且能被 RF3 蛋白质加工降解 , cox Ⅰ/ cox ⅡmRNA 加
工或翻译恢复正常 ,从而植株育性恢复。豌豆中也
曾发现 CMS相关座位的双链转录模式[18 ] ,R 区的这
种双链转录模式可能为玉米 S2CMS 的成因的推论
还有待进一步的研究证实。
本实验室正在进行的玉米 S2CMS 材料 cDNA 文
库的构建 , orf3552orf77mRNA 的全长序列分析 ,对
cox Ⅰ/ cox Ⅱ蛋白质分析和利用 S rf3rf3 、SRf3Rf3近等基
因系开展 Rf3 功能基因组学的研究都将为最后证实
上述推论 ,阐明玉米 S2CMS 的分子机理提供重要依
据。
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