水稻减数分裂起始基因ONSET1图位克隆与功能研究

The key step in sexual reproduction is the successful switch from mitosis to meiosis. In flowering plants, sporogenesis originates from the hypodermal cells in anther or ovule primordia to form archesporial cells (ARs), and this process involves a series of coordinated cell proliferation and differentiation events. The most pivotal question is how a small subset of somatic cells initiate meiosis or sporogenesis comes from the mitotic cell cycle.A rice sterile mutant were obtained. In onset1 meiocytes, meiosis was arrested at the leptotene stage or before. A candidate gene was isolated by map-baseed cloning. ONSET1 encodes a component in a plant hormone downstream pathway.In this proposal, we are going on to perform meiotic chromosome observation,immunofluorescence test, tissue in situ hybridization, gene edit,double mutant analysis to investigate the ONSET1 biological function in meiotic initiation. And we also prepare to high throughput seuqence and Y2H assay to imporve the downstream gene and regulatory network in rice sporogenesis.The results will provide evidences in the meiotic initiation mechnism in flowering plants.

在所有的有性生殖生物中，最重要的生殖发育过程是从有丝分裂细胞周期向减数分裂细胞周期转变。开花植物中，孢子起源于花药下皮细胞或者胚珠原基从而形成孢原母细胞，这一过程，涉及一系列有条不紊的细胞增殖及细胞分化事件。一个重要科学问题是一小部分体细胞是如何起始减数分裂或孢子体发生的。课题组获得了一个水稻减数分裂起始的突变体onset1,通过图位克隆的方法分离得到了候选基因，基因功能预测可能为一植物激素下游信号传导元件。本课题拟在前期工作基础上，通过染色体观察和免疫荧光实验、双突变体分析、原位杂交、基因编辑等工作深入研究ONSET1的生物学功能，阐明ONSET1在控制减数分裂起始中的作用；借助高通量测序、酵母双杂技术筛选与ONSET1 的相互作用的蛋白，寻找下游调控基因，进一步完善水稻孢子体发育过程中的时空表达和调控网络。研究结果将为揭示开花植物减数分裂起始的分子机制奠定理论基础。

水稻是最重要的粮食作物，养活了地球上近一半的人口。随着全球人口的不断增加和地缘政治下的局部战争，粮食安全将会变成一个越来越严重的全球性问题。单纯通过扩大种植面积来增加水稻总产量已不可能，因而水稻生产的稳产、高产成为迫在眉睫的问题。水稻是籽粒性状为经济收益的作物，在生长过程中受到来自自身和环境的多重影响，其中，细胞分裂素是控制植物生长和发育的重要植物激素。但是细胞分裂素是如何影响水稻的减数分裂起始，仍然是一个没有答案的科学问题。加深对有性生殖植物配子体形态发育与调控的分子机制的理解，将在拓宽水稻种质资源、简化育种程序、优化栽培管理等方面有着重要意义。. 该项目通过对减数分裂缺陷的不育突变体的图位克隆，获得了ONSET1基因，发现它影响水稻减数分裂性母细胞细线期染色体向偶线期的形态转变。onset1突变体的花粉母细胞染色体停滞在前细线期状态，不能进一步组装进入典型的细线期染色体状态。同时性母细胞中没有DSB的形成，也没有OsAM1、OsREC8、PAIR3、PAIR2等减数分裂特异蛋白的组装，减数分裂停滞，至四分体时期，染色体随机分裂到子细胞中，最终表现为无花粉型花药。. ONSET1属于细胞分裂素B类响应调节因子，N末端具有保守的DDK和MYB结构域，C末端具有转录激活活性。它调控下游细胞分裂素A类响应调节因子，从而从整体上控制减数分裂细线期的细胞分化进程。在减数分裂进程中，Onset1位于OsMSP1的下游，OsAM1的上游发挥生物学功能。相关研究首次证明细胞分裂素B类响应调节因子参与了减数分裂起始的遗传调控，为进一步解析细胞分裂素响应调节因子起始减数分裂事件提供了直接证据。