摘要
玉米(Zea mays L.)花药壁和花粉壁是保护生殖细胞内遗传物质免受外界胁迫伤害的重要物理屏障。花药角质层中的角质和蜡质以及花粉外壁中的孢子花粉素等物质的合成，多源于绒毡层的脂质代谢，其代谢异常往往导致玉米雄性不育，而玉米雄性不育系则在玉米生产中发挥着重要作用。我们获得了一个玉米雄性不育突变体，命名为irregular pollen exine2(ipe2)。通过遗传学、分子生物学、细胞学、组学等生物学方法对其进行了研究，以期为其应用奠定理论基础。主要结果如下: 1、表型观察显示，营养生长期，ipe2突变体与野生型植株无明显差异;花药成熟期，ipe2突变体相比野生型，其花药表面光滑、中间层不退化、整个花药干瘪变小、花粉粒皱缩，且I2-KI溶液染色结果显示花粉粒中无淀粉形成;超薄切片观察进一步表明，ipe2突变体和其等位突变体在单核细胞早期已出现花粉外壁内层“虚线”似的不连续表型，最终表现为完全彻底的雄性不育。 2、遗传学分析证明，ipe2为单基因隐性突变;等位检测结果证实，ipe2与ipe2-a、ipe2-b和ipe2-c互为等位突变。利用ipe2和B73及ipe2和昌7-2的BC1F1或F2分离群体的22792个植株，将IPE2定位至5号染色体长臂靠近着丝粒的一个2.66Mb的区间内;参考B73基因组序列(RefGen_v4)，该区段包含27个基因;各突变体和野生型之间的基因序列对比以及候选基因的遗传互补实验证实Zm00001d015960为IPE2。 3、时空表达分析显示，IPE2特异在花药中表达，并集中于四分体和小孢子释放时期。该基因编码一个脂肪酶，SignalP4.0预测该酶N端含有一个22个氨基酸的分泌信号肽;亚细胞定位显示IPE2定位于内质网中。进一步分析表明，IPE2属于GDSL(Gly-Asp-Ser-Leu)型脂肪酶;系统发育分析显示，玉米GDSL型脂肪酶预测约有120个成员，但IPE2与已研究的MS30仅有24.69％的氨基酸序列相似性;此外，GDSL型脂肪酶被聚成单子叶植物和双子叶植物两大类。 4、代谢组测定发现，ipe2突变体成熟的花药中角质和蜡质单体、总脂肪酸和游离脂肪酸的含量均表现异常，尤其是C16和C18羧酸及其衍生物显著下降，说明IPE2可能通过脂类代谢途径参与花药壁和花粉外壁的形成。 5、转录组GO分析表明，在单核细胞早期，ipe2突变体和野生型花药中的差异表达基因主要参与孢子花粉素合成和花粉壁形成过程;KEGG分析显示，差异表达基因具体参与到角质蜡质合成、不饱和脂肪酸合成、脂肪酸延伸、α-亚麻酸代谢、黄酮类代谢、甘油酯类代谢、甘油磷酸脂代谢、类苯丙烷合成和糖基磷脂酰肌醇等生物合成过程。 本研究克隆了一个新的玉米雄性不育基因IPE2，该基因编码一个新的控制玉米雄性育性的GDSL型脂肪酶，其功能缺失导致玉米彻底不育，为进一步揭示玉米雄性不育的分子机制提供了理论依据;同时，ipe2突变体为SPT(Seed production technology)制种技术提供了一种全新的不育材料。
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