油茶自交不亲和分子机制解析

Oil-tea tree (Camellia oleifera) is the most important edible oil tree species native to China, and it was found to exhibit late-acting self-incompatibility (LSI) in our previous studies. However the mechanism of LSI is uncertain, which strongly hinders the research progress and industrial production in Camellia oleifera. In this project, different oil-tea cultivars with different self-incompatibility levers will be used to self and outcross. The ovaries of before and after treatment are collected to construct data of transcriptome, proteome and metabolome. The different expressed genes, proteins and metabolites will be obtained by data analysis. The self-incompatibility genes of oil-tea pistil and pollen will be cloned. The structure, expression characteristics and function of self-incompatibility genes and proteins will be analyzed and functions will be verified by outcrossing and selfing. The result will revealed the molecular regulatory mechanism of oil-tea self-incompatibility. On this basis, all the self-incompatibility allele genes of oil-tea pistil will be cloned, and the oil-tea self-incompatibility gene chips will be developed. The molecular identification system of oil-tea self-incompatibility gene will be established, which will be used to determine the oil-tea main cultivated species self-incompatibility genotype. The research will provide scientific basis and technical support for parents selection, reasonable allocation of cultivation varieties, scientific formulation of cultivation techniques and improving oil-tea yield and tea oil quality.

油茶是原产我国最重要的食用油料树种。本实验室前期研究发现，油茶为后期自交不亲和性植物，但其分子调控机制尚不清楚，已经成为油茶科学研究的科学瓶颈和产业发展的制约因素。本项目拟采用自交不亲和程度存在差异的不同油茶品种分别进行自交和异交，采集自交和异交前后的子房进行转录组、蛋白质组和代谢组分析，找出油茶自交不亲和性存在差异的表达基因、蛋白质和代谢产物，克隆油茶雌蕊和花粉的自交不亲和基因；解析油茶自交不亲和基因和蛋白质的结构、表达特征及功能，并通过杂交和自交实验予以功能验证，最终全面揭示油茶自交不亲和性的分子调控机制。在此基础上，克隆油茶所有雌蕊自交不亲和等位基因，研制油茶自交不亲和基因的基因芯片，建立油茶自交不亲和基因的分子鉴别体系，确定油茶主要栽培品种的自交不亲和基因型，为油茶杂交育种的亲本选择、栽培品种的合理配置、栽培技术的科学制定以及提高油茶产量和茶油产品品质提供科学依据和技术支撑。

国家自然科学基金重点项目-油茶自交不亲和分子机制解析于2018年正式立项，经过5年的系统研究，取得以下几方面研究成果：第一，确定了油茶属后期自交不亲和性植物：油茶自交授粉后，花粉可以在柱头正常萌发，花粉管也可以在花柱中正常生长并延伸至子房内，但最终在子房上部停止生长，不能与卵细胞结合形成合子，导致不能正常结实。第二，确定了油茶自交不亲和性最基本的分子机制是自交引导的花粉管细胞程序化死亡过程：脯氨酸、ROS和CaM参与了油茶花粉管细胞程序化死亡的进程；CAT、SOD和POD等3种保护酶参与了油茶自交不亲和性引起的自身防御反应；ABA、ACCS、JA和SA等植物激素在自交花粉管细胞程序化死亡过程中发挥了各自不同的作用；不同激素在花粉管伸长生长中存在着相互拮抗的作用。第三，发现了油茶自交识别机制的雌蕊S-RNase基因和雄蕊F-box基因，且紧密连锁：多数S-RNase基因只有1个内含子，少数含有2-3个内含子；S-RNase启动油茶MAPK信号转导途径、植物激素信号转导途径、ABC转运蛋白和泛素介导的蛋白水解途径等，在油茶自交不亲和性发生过程及花粉管细胞程序化死亡过程中起决定性作用；花粉管自发启动过氧化物酶的保护机制，缓解S-RNase对花粉管肌动蛋白骨架的解聚作用。第四，克隆了一批油茶自交不亲和功能基因：包括ABC转运蛋白、植物MAPK和茉莉酸等信号转导过程中的关键基因、油茶FLA基因家族和RALF基因家族，它们参与自交花粉管死亡信号的传递、花粉发育、花粉萌发和花粉管伸长等过程。第五，鉴定了油茶品主栽种的S基因型：克隆油茶雌蕊S-RNase基因86个、雄蕊F-box基因10个，建立了油茶S基因SNP检测系统，对126个油茶品种S基因型进行了鉴定。本项目共发表学术论文20篇，申请专利5件，培养研究生9名；为油茶栽培品种配置、优质丰产栽培和杂交育种奠定了重要的科学理论基础。