一个新的水稻温敏雄性不育基因的功能解析

Male reproductive development is highly sensitive to environmental temperature fluctuation. Extreme environmental temperature change frequently causes reduced male fertility, leading to yield loss. Thus understanding how plants cope with temperature stresses during male reproductive development is of importance for fundamental biology and agriculture. We identified a novel thermosensitive male sterile (tms) mutant in rice, tms12 which have mutation in a gene encoding a putative heat-shock protein. tms12 is sterile under high temperature and is fertile under low temperature. Under high temperature, tms12 pollen grains are arrested at the transition from to mature pollen formation stage. This project aims to clarify the function of TMS12 in rice male reproduction, and its role in regulating the responsiveness of rice male organ to environmental temperature changes. We will also investigate the sequence variation of TMS12 in 800 rice cultivars to addressits role in environmental adaption. In addition, this project aims to understand whether the homologs of TMS12 from Arabidopsis and barley have similar functions in male development and in response to environmental temperature changes. This study will also provide insights into the molecular mechanism conferring resilience to environmental temperature changes that can be manipulated and utilized to improve temperature tolerance in rice.

花药发育和花粉形成是影响植物繁殖和种子形成的关键过程，对作物产量有着直接的影响。雄性生殖过程对环境温度变化高度敏感，极端温度变化往往使花粉败育，导致减产，因此深入研究植物雄性生殖发育过程中感受、响应和应对环境温度变化的机制具有意义。我们分离到了一个新的对环境温度变化敏感的水稻雄性不育突变体tms12，低温可育，高温不育。TMS12编码一个热激蛋白，高温条件下tms12突变体花粉的发育停滞在二核花粉期。本项目拟通过对tms12的分析，研究这个基因在水稻花粉形成过程中响应环境温度变化的遗传和生化机制。并对不同水稻品种、以及拟南芥和大麦的同源基因进行分析，分析这些基因在进化过程中是否存在保守机制以及水稻品种适应不同生长环境中的机制。这将为阐明植物雄性生殖器官感受及应对环境温度变化机制提供新的认识，并为通过分子设计育种提高水稻对环境温度变化的适应性提供新的理论基础。

花药发育和花粉形成是影响开花植物繁殖和种子形成的关键过程，对作物产量有着直接的影响。雄性生殖过程对环境温度变化高度敏感，极端温度变化往往使花粉败育，导致减产，因此深入研究开花植物雄性生殖发育过程中感受、响应和应对环境温度变化的机制具有意义。我们分离到了一个新的对环境温度变化敏感的水稻雄性不育突变体tms12（后命名为Oshsp60-3b），正常温度可育，高温不育。OsHSP60-3B编码一个热激蛋白，高温条件下Oshsp60-3b花粉的发育停滞在二核花粉期。本项目通过对oshsp60-3b的缺陷表型的深入分析，发现高温条件下该基因的突变影响花粉后期淀粉等营养物质的积累，最终导致败育。本项目研究结果显示OsHSP60-3B是一个广泛表达的基因，同时其表达受到热激处理的快速诱导，说明这是一个高温快速响应因子。OsHSP60-3B定位在质体（叶绿体）中，并与质体定位的淀粉合成调节因子FLO6直接互作。高温下，Oshsp60-3b中FLO6的丰度显著下降，说明OsHSP60-3B是维持花药及花粉中FLO6丰度所必需的。转录组分析表明，Oshsp60-3b花药中大量与热响应以及活性氧（ROS）产生和清除相关基因的表达发生变化。与此相一致，高温条件下突变体花药中ROS的含量显著上升，导致大量细胞发生死亡，说明OsHSP60-3B具有抑制高温下花药中ROS升高和细胞死亡的作用。OsHSP60-3B过表达植株的花粉相比于野生型花粉具有更好的耐热性，在热胁迫条件下花粉存活率显著上升，这一结果显示具有在生产上应用的潜力。本研究揭示了OsHSP60-3B在水稻花粉形成过程中响应环境温度变化的遗传和生化机制，为阐明水稻等作物的雄性生殖器官感受及应对环境温度变化机制提供了新的认识，并为通过分子设计育种提高水稻对环境温度变化的适应性提供新的基因资源和思路。本项目发表研究论文1篇，申请国家发明专利1项，培养博士生2名，硕士生1名。