西甜瓜种质资源与遗传育种团队成功克隆西瓜雄性不育调控基因ClATM1并解析其自调控机理

近日，园艺学院西甜瓜种质资源与遗传育种团队在《Horticulture Research》在线发表了题为《Disruption of the bHLH transcription factor Abnormal Tapetum 1 causes male sterility in watermelon》的研究论文。

西瓜（Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. & Nakai）是葫芦科重要的经济作物，因其果实汁多味甜、营养丰富，在世界范围广泛栽培。杂种优势利用是提高作物综合农艺性状的主要育种策略，商品种也多采用杂交一代种；而雄性不育系是作物杂种优势利用和杂交种生产的优良材料。然而目前西瓜雄性不育研究基础还很薄弱，且调控基因尚未被克隆，不仅阻碍了优质不育系的创制与应用，而且限制了西瓜生殖发育调控机理的研究。

本研究以课题组鉴定的西瓜雄性不育系Se18为核心材料，通过细胞学特征分析，明确了其败育的根本原因和关键时期。遗传分析表明Se18不育性状由单隐性基因控制，因Se18绒毡层发育异常被命名为ClATM1（Abnormal Tapetum 1）。基于图位克隆策略，将ClATM1定位于Chr06染色体上54.01kb区间内，该区间有5个功能注释基因。qRT-PCR分析表明，bHLH转录因子Cla010576在Se18雄花花蕾中显著下调表达；序列分析表明，在Se18中该基因的第二个外显子存在10 bp缺失，导致其重要结构域bHLH Interaction and Functional（BIF）缺失；亚细胞定位表明，ClATM1是一个核蛋白，无BIF结构域的截短蛋白ClATM1-10bp的核定位信号缺失；组织特异性及原位杂交分析发现，ClATM1在雄花中的表达量显著高于其他组织，且在花药发育的S6、S7和S8a时期的绒毡层及小孢子母细胞中高度表达。

基于CRISPR/Cas9技术，在雄性可育的西瓜种质‘YL’中对候选基因进行转基因功能验证，获得两个纯合编辑株系，均表现为完全雄性不育，且其花药细胞学缺陷与Se18相似。至此，本研究克隆到了第一个西瓜雄性不育调控基因ClATM1，首次通过CRISPR/Cas9和西瓜遗传转化技术获得雄性不育系，为优质西瓜雄性不育系的创建奠定基础，具有重大的生产应用潜力；基于序列差异，开发了与不育性状紧密连锁的分子标记，加速了西瓜雄性不育系的分子标记辅助育种应用进程。

进一步分析发现ClATM1在转录水平上存在明显的剂量效应，通过双荧光素酶、GUS活性检测及酵母单杂交试验发现ClATM1可以结合自身启动子进而转录调控自身表达。由此，本研究首次揭示了ClATM1自调控机理在花药发育中的作用，丰富了bHLH转录因子在植物生殖发育过程中的调控机理，具有重要的科学研究意义。

园艺学院已毕业博士研究生张锐敏（现工作单位山东农业大学）为该论文的第一作者，张显教授和魏春华副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFD 0100704）、国家自然科学基金（31701939）、财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系（CARS-25）等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41438-021-00695-9

编辑：张晴

终审：徐海