水稻光/温敏雄性不育基因p/tms12-1的发生和功能

Rice is the most important staple food for a large part of the world's human population. Hybrid rice breeding is the primary approach for increasing the yield potential of rice. Photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterility (PGMS and TGMS) lines have been applied widely in hybrid rice breeding. However,the drift in critical sterility-inducing temperature (CST) limited the application of PGMS and TGMS in hybrid rice breeding, and the molecular mechanism underlying the control of PGMS and TGMS remains obscure. Here, we will elucidate the molecular mechanism of p/tms12-1 which confers PGMS and TGMS. Firstly, we will confirm that the small RNA osa-smR5864 which is present in p/tms12-1 control PGMS using genetic transformation. Secondly, the classification of osa-smR5864 will be studied using bioinformatic analysis and expression analysis of osa-amR5864w in Dice-like (DCL) and RNA-dependent RNA polymerase (RDR) mutation. The relationship between expression level of osa-smR5864m and CST will be analysed and the system of producing low CST P/TGMS lines will be bulit. Finally, the target genes of osa-mR5864 will be screened and verified using genetic transformation. Our results will uncover a novel mechanism controls P/TGMS in rice and have potential applications not only in rice but also in other crops.

水稻是最重要的粮食作物之一。杂交水稻是提高水稻产量的主要手段。水稻光/温敏不育系已广泛的应用于两系法杂交稻。但是不育起点温度漂变阻碍其进一步扩大应用，并且光/温敏不育的分子机理也是不清楚的。本项目拟通过综合手段揭示p/tms12-1控制的光/温敏不育的分子机理。首先通过遗传转化确认osa-smR5864控制了水稻光/温敏不育。通过生物信息学分析和对DCL和RDR突变体中osa-smR5864w表达量的分析，探讨osa-smR5864的small RNA类型。在此基础上分析osa-smR5864m的表达量与不育起点温度之间的关系，进一步建立筛选（培育）低不育起点温度光/温敏不育系的方法。最后通过综合分析和遗传转化筛选osa-smR5864靶基因，阐明p/tms12-1控制的水稻光/温敏不育的分子机理。该项目的研究将揭示水稻光/温敏不育的分子机理，并且在作物杂交育种中存在潜在的应用价值。

水稻是我国主要的粮食作物也是全世界50%以上人口的主粮，随着人口的增加和可耕地的减少，增加水稻产量是科学家不懈努力的方向。杂交水稻可以提高10-20%的产量，水稻光/温敏不育系既是两系杂交水稻育种的关键，也是开展植物感应光周期和温度的优良材料。前期，我们已经证明p/tms12-1位点的一个SNP调控农垦58S的光敏不育和培矮64S的温敏不育。p/tms12-1编码一个长链非编码RNA，通过加工可以产生多个小分子量RNA。本项目初步阐明了p/tms12-1调控的光/温敏不育的分子机理，发现了phasiRNA新的功能和建立了新的光/温敏不育系培育方法。通过半薄切片和TUNEL检测发现高温下的培矮64S的绒毡层提前发生凋亡而绒毡层降解后期又滞后是培矮64S高温不育的显著特征。通过多个功能互补和small RNA靶模拟技术捕获osa-smR5864确认osa-smR5864w/m调控水稻光/温敏不育。通过p/tms12-1座位的结构分析以及在小分子RNA加工突变体中分析osa-smR5864w的表达量和突变体表型观察，发现osa-smR5864是一个新的phasiRNA。结合osa-smR5864亚细胞定位，靶位点预测和基因芯片分析初步筛选了7个候选靶基因。通过分别在野生型和光/温敏不育系中过量表达和RNAi这7个基因后暗示P/TMS12-1TG1和P/TMS12-1TG2可能是osa-smR5864的靶基因。最后，通过CRISPR/Cas9技术定点突变P/TMS12-1上的不同位置培育光/温敏不育系，而适当的增加osa-smR5864m的表达可以降低光/温敏不育系的不育起点温度。这些工作有利于认识植物对光周期和温度的感应机制，phasiRNA的功能和促进杂交水稻育种的发展。课题执行期间，申请专利4项，发表SCI论文2篇（Nature Communications, 2014; scientific reports, 2016）。