Nukleo-zytoplasmatische Interaktion in kernlosen Cybrid-Zitrusfrüchten

Männliche Sterilität ist für die kernlose Zitruszüchtung wichtig. Eine lange Jugendphase und nuzelluläre Polyembryonie führen zu einer geringen Effizienz der Hybridzüchtung bei Zitrusfrüchten. Die Zitrusforschungsgruppe im National Key Laboratory for Keimplasm Innovation & Utilization of Horticultural Crops an der Huazhong Agricultural University (HZAU) arbeitet seit mehr als 30 Jahren in der Zelltechnik und genetischen Verbesserung. Die Forschungsgruppe hat durch somatische Zellfusion erfolgreich kernlose Zitruszybride wie G1+HBP und G1+STY regeneriert. Die Methode überträgt Mitochondrien von Satsuma-Mandarine (G1), einer zytoplasmatischen männlich sterilen (CMS) Sorte, auf Samenpummelos (HBP, STY), was den Zuchtzyklus um mindestens 20 Jahre verkürzt.

Das mitochondriale Genom von Cybrid-Zitrusfrüchten (G1 + HBP) ​​stammt vom CMS-Kallus-Elternteil „Guoqing No ). Der Baum von G1+HBP ähnelt HBP, ebenso wie das Aussehen und der Geschmack der Frucht, während G1+HBP typisch männliche Sterilität zeigte, einschließlich degenerierter Blütenblätter und Staubblätter sowie abgetriebener Pollen, was zu kernlosen Früchten führte.

Die Wechselwirkung des Mitochondriums des CMS-Elternteils G1 und des Kerns des HBP könnte zur männlichen Sterilität von G1+HBP beitragen. Die männlichen Sterilitätskandidatengene des Cybrids wurden mithilfe einer vergleichenden Analyse der Omics und des mitochondrialen Genoms identifiziert, während das Interaktionsmuster von Mitochondrium und Kern in diesem Cybrid noch unbekannt ist.

Dieses Ergebnis wurde veröffentlicht in Gartenbauforschungmit dem Titel „Raumzeitliche Profile der Genaktivität im Staubblatt beschreiben die nukleo-zytoplasmatische Interaktion in einer männlich-sterilen somatischen Cybrid-Zitrusfrucht.“

In dieser Studie wurden Stauborgan- und Zelltypen in fünf wichtigen Stadien durch morphologische Beobachtung bestätigt und mittels Lasermikrodissektion gesammelt. Die räumlich-zeitliche Expression von Genen im Staubblatt von Zitrusfrüchten wurde durch RNA-Seq profiliert.

Diese Studie identifizierte differentiell exprimierte Gene (DEGs), die mit der Staubblattentwicklung in Staubblattprimordien, Meiozyten und Mikrosporen von G1+HBP zusammenhängen. ABCE-Modellgene wurden systematisch analysiert und das B-Klasse-Gen CgAP3.2, ein neu identifiziertes AP3-Homologes in Zitrusfrüchten, wurde anhand der Genexpression und eines Proteininteraktionstests als Kandidatengen ausgewählt, das an der Staubblattentwicklung beteiligt ist.

Die Funktionsstörung der Mitochondrien in G1+HBP wurde aufgeklärt und nukleozytoplasmatische Wechselwirkungen basierend auf der GO-Anreicherungsanalyse von DEGs, der Messung von Hormonen und dem Primärstoffwechselgehalt der Blütenknospe vorgeschlagen. In Staubblattprimordien von G1+HBP war der Stoffwechsel von Jasmonsäure (JA) und Auxin (IAA) gestört. Darüber hinaus war das Expressionsmuster von DEGs im Zusammenhang mit dem JA-Stoffwechselweg, der Photosynthese und dem Tricarbonsäurezyklus (TCA) konsistent.

Das exogene Mitochondrium könnte den IAA-Metabolismus direkt stören und indirekt den JA-Metabolismus durch die abnormale Photosynthese in Chloroplasten beeinflussen, was zusammen die Expression von Genen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Staubblattprimordien verändert. In den Meiozyten von G1+HBP waren die Atmung und die mitochondrienbezogenen Zellkomponenten gestört, und in den Mikrosporen von G1+HBP war der mitochondriale Nukleobasenstoffwechsel gestört, was zusammengenommen darauf hindeutet, dass die Dysfunktion der Mitochondrien die Meiose und die Mikrosporenentwicklung beeinflussen und zum Pollenabbruch führen könnte.

Diese Studie schlägt ein potenzielles nukleozytoplasmatisches Interaktionsnetzwerk im Staubblatt von Zitrusfrüchten vor, das die Mechanismen zur Offenlegung der zytoplasmatischen männlichen Sterilität bei Zitrusfrüchten unterstützt.