禾本科作物花粉包被缺失引起的湿敏雄性不育的机制研究

In angiosperm, the pollen wall and coat is a hydrophobic mixture of material on the microgametocyte surface, which plays important roles in protecting pollen from various environmental stresses and microorganism attacks, and in cell-cell recognition during pollination. Protein, gene and transcript factors for sporopollenin and pollen coat formation are related to transformation, elongation, and transportation of aliphatic compound, and biosynthesis of phenols and flavonoid. Our previous study found that OsOSC12 encoding a triterpene paoceatapetol synthase involved in the pollen coat formation in rice and the loss-of-function mutant plants are humidity sensitive male sterility (HSMS), providing the potentially excellent resources for two-line hybrid rice production in utilization of heterosis. In this project we will identify more HSMS mutant apart from the non-OsOSC12 locus S4410, investigate the pathway and the key metabolites controlling the pollen fertility by map-based cloning, transcriptomics and metabolomics analyses, and yeast expression approaches. We aim to determine the structural and physicochemical property of pollen coat, and reveal the mechanism of HSMS. We also confirm the phenotype of HSMS in other cereal crops through screening and creating OsOSC12 homologous mutants, providing the theoretical basis for hybrid seed production in rice and other cereals.

被子植物的花粉壁和包被是雄性配子体表面包裹的一层成分复杂的代谢物，在抵御各种环境压力或微生物的侵袭，授粉时细胞的识别等方面具有重要作用。对拟南芥和水稻的研究表明脂肪类化合物的转化、延长和转运，以及酚类和类黄酮类的代谢相关基因（酶）和转录因子参与了孢粉素及花粉包被合成。本实验室前期研究发现OsOSC12编码禾谷绒毡醇合酶参与水稻花粉包被的形成，其功能缺失突变体表现为新型的湿度敏感型雄性不育, 这为两系杂种优势利用提供了优异资源。本项目在已获得的非OsOSC12位点的突变体S4410的基础上，筛选获得更多湿敏雄性不育突变体；通过图位克隆、转录组和代谢组分析，酵母表达等手段解析禾谷绒毡醇三萜代谢途径；鉴定出花粉包被的关键代谢物的结构并确定其理化特征，揭示其控制的湿敏雄性不育的机制；筛选和创制小麦和玉米的同源基因突变体，验证该代谢途径在这些禾本科作物中的功能，为禾本科作物的杂交制种提供理论依据。

被子植物的花粉包被是雄性配子体表面包裹的一层成分复杂的代谢物，在抵御各种环境压力或微生物的侵袭，授粉时细胞的识别等方面具有重要作用。本实验室前期研究发现OsOSC12编码禾谷绒毡醇合酶参与水稻花粉包被的形成，其功能缺失突变体表现为湿度敏感型雄性不育，这为两系杂种优势利用提供了优异资源。本项目在已获得的非OsOSC12位点的突变体S4410的基础上，大规模筛选获得hgms水稻突变体共13个，其中9个为除E157和S4410等位突变外的新突变体；通过图位克隆、转录组和代谢组分析、体外生化分析确定了控制S4410湿敏不育表型的基因OsUGT为OsOSC12引导代谢途径的下游催化酶，鉴定出禾谷绒毡醇下游代谢途径的中间产物；通过细胞学手段观察到突变体绒毡层中造油体和脂质体的降解过程紊乱，从而影响水稻花粉包被的形成，基本确定一种三萜皂苷类化合物是调控花粉包被形成的关键代谢物；克隆了控制hgms4湿敏雄性不育表型的基因为一个NAC转录因子；此外，利用TILLING筛选和杂交聚合方法，获得了小麦湿敏不育二突hsdml-bbDd株系和纯合隐性三突hstml-aabbdd株系，其中hsdml-bbDd的花粉失水速率加快，表现出湿敏不育表型；利用EMS诱变及CRISPR/Cas9技术获得三个玉米Zmpts1突变体株系，其花粉均在1 min中左右失水完全失水，可作为玉米湿度敏感雄性不育材料；利用中花11的湿敏雄性不育材料E157为底盘，创制了适合在新疆乌鲁木齐应用的水稻湿度敏感性雄性不育突变体材料，获得稳定湿敏不育新品系24个，试制种实验表明其具有较好的应用潜力。