杂交水稻同核异质雄性不育系败育的分子机理与应用研究

同核异质不育系的构建和利用，是克服生产上水稻胞质单一性的一条有效途径。本项目利用所构建的杂交水稻7种同核异质雄性不育系，采用质谱分析(IPG-PAGE/ BN-PAGE+MALDI-TOF- MS)法、呼吸链膜蛋白复合物酶活检测等方法，进行线粒体蛋白质组（可溶性蛋白和膜蛋白）、幼穗和花药全蛋白质组的比较分析，寻找各同核异质系间的差异蛋白，并在亚细胞水平上研究呼吸链膜蛋白复合体中蛋白亚基的变化规律。同时进行基因组差异表达研究，并对重要发育时期编码相关呼吸链膜蛋白复合体蛋白差异亚基的重要功能基因进行表达分析，探讨同核异质雄性不育系的表达差异及其核质互作的关系，从分子水平上揭示其败育机理。在应用上，利用同核异质雄性不育系与恢复系广泛配组，并探索多个胞质的同核异质系等量混合的多胞质不育系配制多胞质杂交稻的制种新技术。以达到逐渐使杂交水稻品种的细胞质多样化，提高繁殖、制种产量以及提高稻米品质的目的。

通过本研究，对杂交水稻同核异质雄性不育系的败育机理及其利用有了新的认识。细胞学研究表明，我们所构建的同核异质雄性不育系花粉粒败育开始在单核期，以典败为主。花粉粒败育时，维管束结构被破坏，同核异质雄性不育系的败育应该同维管束的不正常发育有关，其败育机理是相同的；用7种同核异质雄性不育系混合后与单一恢复系配组，在实践中都是可行的。研究揭示，NADH脱氢酶缺陷可能是引起不育系紫稻A败育的重要原因，这为研究同核异质系的败育机理提供了新思路。对同核异质系线粒体基因atp6，atp9和Cox2的RNA编辑研究表明，很多编辑位点在不同的同核异质系之间都存在显著性差异，不同的细胞质可能对线粒体基因的RNA编辑有影响。梅香A在atp9中的C223位点不编辑（该位点编辑导致编码蛋白序列终止）,导致其产生不正常的atp9蛋白亚基，进而影响ATPase的活性，最终导致花粉败育。将RoDD方法应用于水稻同核异质细胞质雄性不育系的全基因表达谱研究，结果发现表达谱93%以上是相同的，不同类型的细胞质对全基因组表达的影响很小。建立了用于膜蛋白复合体分析的“Double- Strips BN/SDS-PAGE" 方法，并利用分子建模对超氧化物歧化酶前序列与水稻线粒体蛋白输运受体Tom20的分子机理研究，为开展线粒体膜蛋白与细胞质雄性不育机理的研究，建立了一个有效的分子模型。对4个同核异质系的定量蛋白质组的初步研究，表明在两个生物学重复中共鉴定得到908个蛋白，GO分析发现大部分的蛋白质参与细胞通路以及代谢途径，还有相当一大部分参与应激反应。同时，本研究获得两项国家发明专利以及“云南紫稻细胞质雄性不育系武香2A的选育与研究”通过湖北省科技厅组织的成果鉴定。