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植物雄性不育是一种重要的性状,广泛用于杂交育种。太谷核不育小麦Ms2基因,属于显性核雄性不育基因,已用于上百个小麦品种或品系的培育,加快了我国小麦育种进程。本研究利用图位克隆技术分离到Ms2基因,通过反向遗传学手段验证了该基因的功能,并采用遗传转化技术证明Ms2基因可以引起小麦、大麦和短柄草的雄性不育。MS2基因只在部分小麦亚族物种出现,显性Ms2基因在太谷反转录转座子(Taigu)的驱动下表达,其表达呈现花药特异性。Ms2基因的克隆对小麦轮回选择或杂交制种具有重要意义。本研究的主要结果如下:1.太谷核不育小麦雄性不育表型:我们统称携带显性Ms2基因的小麦为太谷核不育小麦。与可育小麦相比,太谷核不育小麦的花药瘦小,小孢子发育异常,造成无花粉型雄性不育。太谷核不育小麦雄性组织发育的异常表现在中层细胞的提前降解、花粉母细胞的原生质化、二分体分离受阻和单核花粉粒的急剧退化等。2.太谷核不育Ms2基因的精细定位:本研究利用4个BC1F1群体(PopA、PopD、PopE和PopF)进行Ms2基因的精细定位。利用3,487个Pop D单株,将Ms2基因定位在Xsdauw20和Xsdauw32之间,约0.6cM的区间。同时利用3,954个PopA单株,将Ms2基因进一步定位在Xsdauw27和Xsdauw29之间,约0.05cM的距离,标志着Ms2区域精细遗传图谱的成功绘制。3.太谷核不育Ms2基因的物理图谱和候选基因:本研究构建了‘矮败鲁麦15’的细菌人工染色体文库(bacterial artificial chromosome,BAC),利用Ms2基因的5个连锁标记对该文库进行筛选并获得了Ms2区域的12个BAC克隆。对部分BAC克隆进行测序和拼接,成功绘制了Ms2基因区域的物理图谱。在Xsdauw24和Xsdauw32区间,共预测到8个候选基因,其中PG5P1593S的表达和太谷核不育性状相关联,可能代表Ms2基因。4.PG5P1593S代表太谷核不育Ms2基因:利用TILLING(targeting induced local lesions in genomes)检测,发现PG5P1593S基因的突变引起太谷核不育性状的丧失、雄性可育,基因突变和育性恢复呈现稳定遗传。利用遗传转化互补实验,进一步确认PG5P1593S基因的表达可以引起普通小麦、大麦和短柄草的雄性不育。现有证据显示PG5P1593S就是太谷核不育Ms2基因。5.Ms2基因呈现特异的时空表达模式:自然群体中,Ms2基因只在太谷核不育小麦中表达,并且只在减数分裂前后(S2时期)的花药组织表达。组织原位杂交证明,Ms2基因在花药中层、绒毡层和小孢子母细胞中特异表达。该基因的特异表达可能与MS2启动子区域的Taigu反转录转座子有直接关系。亚细胞定位技术显示,GFP:Ms2融合蛋白可能定位于细胞质和内质网。6.MS2是麦族植株特异进化的产物:MS2或其同源基因只在粗山羊草(Aegilops tauschii)、乌拉尔图小麦(Triticum urartu)以及普通小麦(Triticum aestivum)等麦族物种中存在。通过比较575份小麦族材料,鉴定到MS2基因的18种单倍型(Haplotype),显性Ms2基因对应单倍型A2,是在单倍型A1的基础上由Taigu转座子插入形成的。Ms2基因的单倍型A1在普通小麦形成之前就已经存在,在普通小麦和粗山羊草中分别独立遗传。7.MS2蛋白可能作用于植物蛋白翻译系统:转录组分析和酵母双杂交实验说明MS2蛋白很可能作用于植物蛋白翻译系统从而导致雄性不育。