一个新的水稻雌配子半不育基因的图位克隆及功能分析

Rice female gamete is one of the most important organs, decided the rice yield. Compared to pollen sterility, in terms of sterility, female gamete sterility affects the rice seed setting rate and yield much more directly. Generally, female infertility is usually caused by abnormal female gametophyte development. Molecular mechanism of rice female sterility remains largely unknown for the complexity mechanism of the female gametophyte abortion. In this study, we identified a new stable genetic female semi-sterility mutant m21 due to the partial embryo sac abortion. We built a genetic linkage map covered rice 12 chromosomes using 189 pairs of SSR markers, the average genetic distance was 14.1 cM. We detected a QTL loci of female infertility on the 11th chromosome between the markers RM26761 and RM26841, explained 20.2% of phenotypic variance. There are no reported sterility-related genes in this region to date. Furthermore, fine-mapping and delimited the female semi-sterility loci by expanding population and developing new molecular markers, candidate gene sequencing, identifying the mutated gene. Functional analyses of the candidate gene by constructing complementary vector and RNA interference vector, and then transforming of the mutant and wild type respectively. Expression pattern and localization of the candidate gene will also be studied. This study aims to map-based cloning and functional analysis of a new female semi-sterility gene, and this effort will throw light on the mechanism of rice female gamete development, the seed setting rate and female semi-sterility in breeding.

水稻雌配子是决定水稻产量的重要器官。雌性不育通常是由雌配子体发育异常造成的，由于败育机制复杂，使得对水稻雌性不育机制认识还很欠缺。本研究以一个稳定遗传的雌性半不育突变体m21为研究材料，细胞学观察发现其半不育是由胚囊部分败育所致；利用189对SSR分子标记构建了一张覆盖12条染色体的遗传图谱，平均遗传距离为14.1cM，在第11号染色体上标记RM26761与RM26841之间检测到一个控制雌性半不育的QTL位点，其贡献率为20.2%，目前该区间没有报道与育性相关的基因。在此研究基础上扩大群体、精细定位、候选基因测序，明确突变基因。构建互补和干扰载体，分别转化突变体和野生型，对候选基因功能验证；对基因表达模式和蛋白亚细胞定位等功能分析。本研究以期图位克隆出一个新的雌性半不育基因，并对其功能进行研究，这将为进一步了解水稻雌配子发育和结实率变化机制，以及雌性半不育在育种上的改良提供理论依据。

水稻雌配子的发育情况是影响水稻产量的重要因素，雌配子发育异常会导致水稻产量大幅度降低。因此，对水稻雌配子不育现象的研究具有重要的现实意义。本研究前期发现一个稳定遗传的半不育突变体m21，其结实率为53.52%±2。因m21与其野生型“粤丰B”在外观上差异较大，故将m21与粤丰B杂交后自交获得的BC1F5中的半不育材料WZN58作为后续研究材料，进行花粉育性检测、花粉活力鉴定、突变体胚囊发育时期观察及BSA分析，鉴定突变基因。主要结果如下：.1. WZN58花粉活性正常：半不育株系WZN58的结实率为52.30%±2，花粉活力鉴定发现， WZN58碘染后可育花粉为87.16%±1，花粉离体萌发率为72.1%±2，与野生型‘粤丰B’花粉育性均无显著差异。.2. WZN58中半数胚囊败育：WZN58中近半数成熟胚囊结构异常，其异常结构可分为三类。对不同发育时期的胚囊进行观察，发现约50%的胚囊在大孢子母细胞发育早期就开始出现异常，在此之后的各发育阶段均产生结构异常的胚囊。.3. BSA分析鉴定突变基因：对 BC1F5回交群体中半不育材料WZN58和育性正常材料WZN68进行BSA分析，获得具有SNP和InDel差异的候选基因位点112个，结合基因功能预测及表达分析，共获得8个可能影响雌配子育性的候选基因，转基因敲除验证其功能。研究发现CRISPR敲除Os10g0506000后，结实率降低至50%左右，表明Os10g0506000可能是m21中的突变基因，将其命名为OsESA2（EMBRYO SAC ABORTION 2）下一步需要对其功能进行深入研究。.本研究为进一步了解水稻雌配子发育机制，以及雌性半不育在育种上的改良提供理论依据。