杂交水稻遗传重组发生规律的研究

Genetic recombination is not only essential for biological evolution and speciation, but also a major source of genetic diversity in crop breeding. However, the linkage drag caused by the limited number and non-random distribution of genetic recombination severally hinders the aggregation of excellent genes during plant breeding. Therefore, systematic analysis of the occurrence and distribution of genetic recombination is of great significance for genetic breeding. In this project, the hybrid rice variety Chunyou 84 is selected as the model variety. The exon of ZEP1 gene and the promoter and uORFs of HEI10 gene will be respectively edited using CRISPR/Cas9 genome editing system to create plants with improved genetic recombination frequency. Also, we plan to develop a next generation sequencing method suitable for large-scale analysis of the recombinant progeny based on multiplex PCR and bridging sequence splicing technology. In addition, automatic analysis software based on high-density heterozygous SNPs will be compiled. Finally, we will systematically investigate the recombination frequency and distribution of the wild-type hybrid and the mutants, which will promote the understanding of the roles of the two genes during recombination. The work will lay a foundation for the breeders to gain control of genetic recombination, break the linkage drag, and improve the breeding efficiency in the future.

遗传重组对生物进化和物种形成至关重要，同时也是农作物利用遗传多样性进行新品种培育的基础。然而，遗传重组较低的发生频率及非随机分布等规律所导致的遗传累赘，限制了新品种培育过程中优良基因的聚合。因此，系统解析遗传重组发生和分布规律对遗传育种具有重要的意义。本项目拟选取籼粳杂交稻品种春优84为模式材料，利用CRISPR/Cas9基因编辑系统编辑ZEP1基因的外显子以及HEI10基因的启动子和uORFs区域，创制遗传重组频率提高的材料，基于多重PCR及搭桥序列拼接技术，开发适合重组后代大样本多位点的二代测序方法，编写以高密度杂合SNPs为标记的重组自动分析软件，对野生型和编辑后不同突变体及突变组合材料的重组频率和分布规律进行系统分析，解析杂交水稻遗传重组的发生规律，以及不同重组相关基因突变对遗传重组发生和分布的影响，为利用基因工程手段实现对重组频率和位置的调控、打破遗传累赘、提高育种效率奠定基础。

遗传重组是动植物遗传育种过程中遗传多样性的主要来源之一，其特异发生在生殖发育的减数分裂时期，增加遗传重组频率可以提高遗传多样性，促进新组合的产生；而重组频率的减少则可以保持已聚合优异性状的稳定。此外，遗传重组的完全消失甚至可用于实现杂种优势的固定与稳定遗传。在多数动植物中，每条染色体上一般只发生1-2次的重组，且重组发生的位置受到严格的限制。该研究首先分别对水稻HEI10基因的启动子区域和5′UTR区域进行了多靶点敲除，获得了一系列纯合突变或双等位突变材料。其中，启动子区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同程度降低，相反，5′UTR区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同幅度升高。表型性状调查显示，突变体的营养生长和花粉育性与野生型相比没有明显的差异，并且植株保持了较高的结实率。通过细胞学观察发现这些突变体的染色体能够正常分离，但是，对减数第一次分裂中期二价体的形态进行统计结果显示重组交换的数目可能发生了变化。该研究揭示了通过对单个关键基因进行编辑可以实现水稻遗传重组的正向和负向调控。已有研究表明有大量基因参与遗传重组的形成过程，因此，研究人员提出通过对更多关键基因进行同步编辑，有望实现对遗传重组更大幅度的调控。此外，由于遗传重组过程在不同动植物中较为保守，该研究思路也有望适用于其它动植物的理论研究和新品种培育。