基于单片段代换系的水稻种子休眠性新基因Sd9-1的图位克隆

Seed dormancy is a self-protection strategy for plants. In rice, seed dormancy is a complex agronomic trait closely related with pre-harvest sprouting (PHS) resistance and safety of seed storage. However, the molecular and genetic mechanism of rice seed dormancy is still unclear. To study rice agronomic traits, our lab recently have developed a library of rice chromosome single segment substitution lines (SSSLs) which covers the whole rice genome. In our previous study, a new seed dormancy gene (QTL) on rice chromosome 9, Sd9-1, was identified by using SSSLs. Sd9-1 is a stable expression gene which can be detected for five-season field experiments. In this study, a large F2 mapping population (>3000) and secondary SSSLs will be utilized for fine mapping (<50 kb) and further cloning of Sd9-1. In addition, transgenic rice plants with complementation, overexpression or RNAi of the candidate gene will be produced to verify the function of Sd9-1. Fine mapping and cloning of Sd9-1 will help us to dissect the genetic basis of seed dormancy at molecular level. It will also provide science and technology support for breeding elite PHS tolerance rice varieties by molecular design and modern biological seed industry.

种子休眠性是植物的一种自我保护性策略，水稻种子休眠是与穗发芽抗性和种子安全贮藏密切相关的农艺性状，但其分子和遗传机理还很不清楚。为了对水稻农艺性状开展研究，本实验室经过多年的努力，构建了一个覆盖全基因组的水稻染色体单片段代换系(SSSLs)文库。本课题组利用SSSLs在水稻第9染色体上鉴定出一个控制种子休眠性的稳定表达的新基因（QTL）Sd9-1，连续5季的田间实验都能检测到Sd9-1的表达。本研究拟通过构建F2作图群体（>3000株）和筛选次级单片段代换系材料，将Sd9-1精细定位在大约50 kb的物理距离内，并克隆目的基因；采用农杆菌介导的转化法获得遗传互补、过量表达和RNA干涉的转基因水稻，验证Sd9-1基因的功能。Sd9-1的精细定位和克隆将有助于从分子水平上进一步阐明水稻种子休眠特性的遗传基础，为穗发芽抗性的水稻分子设计育种和国家发展现代生物种业提供科技支撑。

水稻种子休眠是与穗发芽抗性和种子安全贮藏密切相关的农艺性状，但其分子和遗传机理还很不清楚。本项目利用水稻单片段代换系对水稻种子休眠基因SD9-1进行了图位克隆和分子机理初步研究。利用W11-07-02-03-06与W0杂交，构建了2个F2群体，筛选获得了一批代换片段更短的次级材料，并通过次级代换作图将SD9-1精细定位在PSM157-PSM158之间约559 kb的物理区间基因注释和分析表明，ORF2，ORF3和ORF4是可能的候选基因，分别编码2个蛋白激酶和F-box蛋白；测序比对发现，在ORF4的启动子区域存在序列变异，推测其是SD9-1的目标基因。为了验证ORF4的功能，通过CRISPR技术获得了17个基因敲除的转基因株系，测序分析表明其中3个株系为阳性，可在后续进行表型鉴定。生理实验发现，乙烯能够显著促进休眠种子的萌发，而抑制W0种子的萌发。此外值得一提的是，本研究发现了一个来自于供体W15的强效和稳定的SD9-1的等位基因，并通过转录组研究揭示SD9-1有可能是通过影响种子的贮藏物质代谢和激素信号途径从而调控种子休眠的分子机制。综上所述，本研究所取得的研究成果，将有助于从分子水平上进一步阐明水稻种子休眠特性的遗传基础，并为培育具有适度休眠特性和穗发芽抗性的水稻新品种提供基因资源。