百合花粉败育中LoNCED基因的表达谱与功能解析：ABA介导雄性不育的新机制

　　本研究针对百合观赏价值因花粉污染受损的产业问题，通过比较转录组分析发现不育后代花药发育过程中ABA生物合成关键酶基因LoNCED显著上调。研究人员克隆该基因并开展瞬时过表达和异源转化实验，证实LoNCED过表达通过激活ABA积累导致绒毡层降解和小孢子发育中止，首次在单子叶和双子叶植物中验证了NCED介导的保守性不育机制，为创制无花粉百合种质提供了理论依据和技术路径。

　　

百合作为重要的观赏花卉，其鲜艳的色彩和芬芳的气味深受人们喜爱，但花朵产生的丰富花粉极易沾染花瓣和衣物，造成观赏价值下降和消费体验受损。传统的人工去雄方法不仅增加生产成本，还可能对花朵造成机械损伤。因此培育雄性不育的无花粉百合品种成为育种的重要方向。

本研究利用云南农业科学院花卉研究所培育的东方百合杂交群体，通过比较可育（HF）和不育（HS）后代的花药发育过程，发现不育系花药在四分体时期出现绒毡层提前降解和花粉母细胞发育异常的现象。转录组分析显示，ABA生物合成通路中的关键基因NCED（9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶）在不育系中显著上调，伴随ABA含量达到可育系的3.3倍。为了深入解析LoNCED基因的功能，研究人员从百合花药中克隆了该基因，并开展了一系列实验。

研究采用的主要技术方法包括：①利用石蜡切片技术观察可育与不育系花药发育的细胞学差异；②通过高效液相色谱（HPLC）测定内源ABA含量；③采用同源克隆获得LoNCED基因全长；④利用农杆菌介导的瞬时过表达技术在百合花药中验证基因功能；⑤通过异源转化拟南芥模型验证基因的保守性功能。

表达分析和基因克隆

通过qRT-PCR分析发现，LoNCED在不育系花药中的表达量显著高于可育系，尤其在花粉母细胞期和四分体时期呈现特异性高表达。基因克隆获得1812 bp的开放阅读框，编码603个氨基酸的亲水性蛋白，生物信息学预测显示该蛋白定位于叶绿体和线粒体，含有典型的NCED保守结构域。

蛋白特性与系统进化分析

LoNCED蛋白分子量为66.69 kDa，等电点5.87，不稳定指数47.01，属于不稳定亲水蛋白。系统进化分析表明与鸢尾（Iris pallida）、唐菖蒲（Gladiolus hybrid cultivars）和水仙（Narcissus tazetta）的NCED同源蛋白亲缘关系最近。

瞬时过表达的功能验证

在百合花药中瞬时过表达LoNCED导致花粉发育关键基因（DYT1、TDF1、CYP703A2、CALS5和DEX1）显著下调，绒毡层提前降解，小孢子发育中止，最终导致完全花粉不育。细胞学观察显示过表达系的花粉囊结构破坏，内容物降解形成空腔。

异源转化拟南芥的验证

转基因拟南芥表现出生长受抑制、早抽薹、花药发育缺陷等表型，ABA含量为野生型的8倍，证实LoNCED过表达能引起ABA积累和雄性不育的表型。

本研究首次在百合中鉴定到LoNCED基因通过调控ABA生物合成途径影响花药发育的分子机制。研究表明LoNCED在不育系花药中特异性高表达，导致ABA异常积累，进而抑制绒毡层发育相关基因的表达，引发程序性细胞死亡和花粉败育。该基因在单子叶和双子叶植物中的功能保守性表明NCED介导的雄性不育机制可能广泛存在于高等植物中。

这些发现不仅深化了对植物雄性不育机制的理解，更重要的是为分子设计育种提供了关键靶基因。通过调控LoNCED的表达水平，有望实现百合花粉育性的精准控制，为培育无花粉观赏百合品种提供创新解决方案。该研究发表于《BMC Plant Biology》2025年第25卷，为花卉作物雄性不育育种提供了重要的理论依据和技术支撑。