小麦K型胞质雄性不育系小孢子发育初期的电镜观察和itraq蛋白质组学分析

【作者】 汪月； 张卫东； 高庆荣； 汪永振；

【机构】 山东农业大学农学院/国家作物生物学重点实验室；

【摘要】 背景:小麦K型胞质雄性不育系是具有粘果山羊草(Ae.Kotschyi)不育细胞质的普通小麦,可被其同型保持系恢复育性,在小麦杂交育种中具有较大的应用潜力,同时是小孢子育性发育的良好材料。材料和方法:本研究供试材料为不育植株K冀5418A(KJ5418A)和其同型保持系可育植株冀5418B(J5418B),取单核期、二核期的花药。利用扫描电子显微镜对花药发育各阶段的细胞形态进行观察,基于同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags for relative and absolute quantification,iTRAQ)技术获得花药发育的差异表达蛋白,利用生物信息学方法对获得的差异表达蛋白进行定量定性分析。结果:KJ5418A和J5418B植株花药电镜结果显示,在单核期两者花药结构基本相同,绒毡层结构清晰完整,小孢子内含物充实;单核后期KJ5418A花药绒毡层急速降解,到了二核期已经降解完全,J5418B花药绒毡层到了二核期还上有残余;在二核期,KJ5418A相对于J5418B的小孢子内含物稀少,其他结构也模糊混乱。Itraq蛋白质组分析表明,KJ5418A和J5418B植株在单核期、二核期分别获得的差异表达蛋白为523个和420个(差异倍数>1.2,且p<0.05),其中在单核期KJ5418A植株相对于J5418B植株显著性表达上调的蛋白是315个,下调蛋白208个;二核期KJ5418A植株相对于J5418B植株显著性表达上调的蛋白是211个,下调蛋白209个。功能注释分析表明,这些差异表达的蛋白主要是核糖体蛋白、参与糖、脂肪、蛋白质等代谢功能的蛋白具多数,另外还有参与物质合成、加工修饰以及物质膜泡运输相关蛋白。结论:不育植株KJ5418A的花药在单核期初期与保持系基本无异,后期绒毡层开始降解迅速,二核期已经降解完全,K型不育系的花药不育性与绒毡层异常降解,花粉发育的物质能力供应不足有关;在差异蛋白中,除了与能量代谢相关蛋白、氧化胁迫、物质代谢有关的蛋白,值得注意的是,在参与细胞蛋白质代谢的整个过程中,包括从核糖体、易位子、蛋白修饰、内质网内外的蛋白运输、到蛋白合成的质控检测,均出现蛋白异常。表明不育系中异常代谢的产物、酶或者错误折叠与运输的蛋白质等,启动了内质网应急反应(endoplasmic reticulum stree,ERA),对异常、正常蛋白以及内质网本身的强制性降解,如泛素一蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径(unbiquitin—and proteasome mediated pathway),程序性细胞死亡(programmed celldeath,PCD),可能是K型胞质不育系的不育性原因之一。更多还原