水稻花药特异性表达2，3-氧化鲨烯环化酶基因功能研究

植物的2，3-氧化鲨烯环化酶（OSC）是植物甾醇、甾醇类激素及三萜类化合物的代谢途径的关键酶。拟南芥共有13个OSC基因，酵母表达发现每个OSC酶催化产生结构各异的三萜或甾醇化合物，但是目前对其代谢途径的功能还了解甚少。水稻具有7个编码完整OSC酶的基因，其中OsOSC8与其它单子叶植物的同源基因聚为一类单子叶植物特有的、功能未知的分支，OsOSC8及其编码的蛋白只在花药中特异表达，可能与花药或花粉发育及育性有关。本项目通过酵母表达水稻OsOSC8，研究其催化功能；筛选水稻TILLING群体，获得OsOSC8基因的突变体，遗传转化获得RNAi沉默株系，通过分析突变体的表型，了解该代谢途径的生物学功能；比较野生型与突变体花药的甾醇和三萜类代谢物的变化，推测下游的代谢途径。该项目研究将揭示水稻等单子叶作物三萜代谢与雄性不育的关系，研究成果有望为水稻及其它作物的杂种优势利用提供一条新的途径。

植物的2，3-氧化鲨烯环化酶（OSC）是植物甾醇、甾醇类激素及大量结构及功能各异的三萜类化合物的代谢途径的关键酶。水稻基因组中具有7个编码完整OSC酶的基因，其中OsOSC12与其它单子叶植物的同源基因聚为一类单子叶植物特有的分支。本项目筛选水稻TILLING群体OsOSC12基因的突变体，获得1 个无义突变体E157（W255→stop）和5 个错义突变体E2304（R344→K）、S558（P276→S）、S1535（E747→K）、S1708（G477→E）和S4928（G270→E）；与野生型相比，这些突变体的营养生长及花器官发育都比较正常，但E157、S1708 和S4928 这3 个突变体在自然生长条件下表现出雄性不育性状，其它3 个突变体E2304、S558 和S1535 的育性则和野生型相似。遗传学分析表明突变体E157、S1708 和S4928 的雄性不育表型均为单基因控制的隐性突变，基因等位性检测实验表明这3 个突变体均由OsOSC12 基因突变后功能缺失引起。进一步研究表明自然生长条件下（RH < 60%）这3 个雄性不育突变体的花粉不能或很少粘附柱头，而高湿条件下（RH > 80%）花粉则能够粘附柱头且恢复育性。对水稻花粉与柱头的相互作用进行观察分析，发现野生型花粉散粉后很快粘附柱头（20.6 ± 6.2 秒），而突变体花粉散粉后则开始快速失水（18.5 ± 10.6秒），在粘附柱头之前即完全干瘪失去活性（48.3 ± 10.4 秒）；在高湿条件下，突变体花粉可以从环境中吸收水分恢复活性或者维持高含水状态，从而正常粘附柱头并萌发出花粉管。对不同发育时期的花药进行透射电镜观察，发现在E157突变体第11 期花药绒毡层细胞中脂质体和造油体的降解过程明显比野生型延迟，不能合成花粉包被前体物质，最终导致成熟花粉壁中花粉包被缺失及雄性不育。通过酵母表达水稻OsOSC12，其催化产生一个二环三萜醇（命名为：禾谷绒毡醇）；GC-MS分析表明突变体花粉包被中禾谷绒毡醇的C16:0，C18:0以及C18:1酯和C16:0，C18:0和C18:3的甲酯和乙酯缺失，表明禾谷绒毡醇酯化产物和脂肪酸甲酯（乙酯）是花粉包被中的控制花粉水分的重要成分。