控制水稻籼粳杂种衰败的关键基因克隆及功能解析

利用水稻解析物种的进化和形成机制已经成为植物分子生物学研究的热点。已有研究表明水稻籼粳亚种间杂交后代往往表现出不同形式的生殖障碍，包括杂种不育、杂种衰败、生活力下降等。其中关于籼粳杂种不育的遗传和分子机制已经得到了广泛的研究，发现了一批控制籼粳杂种育性的基因，其中控制雌配子育性的S5和雄配子育性的Sa已经被成功克隆。然而，人们对籼粳杂种衰败的遗传机制及其相关基因还了解甚少。本课题组已经对水稻籼粳杂种衰败的遗传机制进行了初步研究。本研究旨在进一步采用籼粳杂交衍生的F2群体、单片段代换系群体（CSSL）进一步分析水稻杂种衰败的遗传机理；并通过构建高代回交群体结合图位克隆策略，克隆其中两个关键基因，在分子水平上阐明控制水稻杂种衰败关键基因的功能及其作用机制。通过该研究，必将加深人们对水稻杂种衰败遗传机理的认识，同时也为水稻高产育种中籼粳亚种间有利基因的利用提供有益的思路。

亚洲栽培稻包含两个主要亚种，籼稻和粳稻。籼粳亚种间杂种除了有强大的杂种优势以外，往往伴随有杂种不育和杂种衰败两种育性障碍。关于杂种不育的遗传和分子机制已经取得了较多的研究成果，先后克隆了控制胚囊和花粉不育的关键基因S5和Sa。但是，对于杂种衰败的遗传机制和相关基因的克隆却进展较慢。.本研究利用由Habataki（籼稻）/Sasanishiki（粳稻）组合衍生的染色体单片段代换系群体（CSSL）和回交自交系群体（BIL），研究了水稻亚种间杂种衰败的遗传机制，并进行了关键基因的克隆。研究发现：（1）以小穗育性为指标，采取QTL定位的策略，在CSSL和BIL群体中均检测到两个稳定的QTL，分别为qSF12和qSF8。统计分析表明，两个QTL之间的互作是导致杂种衰败的主要原因。（2）组织化学分析表明，该组合后代的杂种衰败表现为典型的小穗育性变低，其原因是部分胚囊不能正常发育，而花粉的育性完成正常。（3）进一步构建高代遗传分析群体对qSF12进行了精细定位，将qSF12定位于第12染色体上M12-16和M12-13之间约137Kb的区间内。该区间内共有9个具有cDNA全长的候选基因，通过测序和RNA-seq分析，初步确定了qSF12的候选基因为LOC_Os12g38850，该基因编码一个含有DUF1336结构域蛋白，该蛋白可能与细胞程序死亡相关。（4）RNA干涉试验和基因互补试验结果表明：来自Sasanishiki的qSF12S能恢复SL438的育性，而在Sasanishiki中下调LOC_Os12g38850的表达，转基因植株的小穗育性会显著降低，表明LOC_Os12g38850就是qSF12的候选基因。（5）qRT-PCR分析和GUS表达分析表明，LOC_Os12g38850在各组织均有表达，但是在子房中表达最高。（6）测序结果表明，Sasanishiki和Habataki的基因组序列在LOC_Os12g38850第10个外显子上存在一个3bp碱基（GAT）的差异。该差异在籼粳品种之间普遍存在，暗示了LOC_Os12g38850在籼粳分化中具有重要作用。（7）初步将qSF8定位于第8染色体RM8018和RM6833之间。.该研究不仅揭示了籼粳杂种后代中杂种衰败的遗传机制，克隆了控制杂种衰败的关键基因；同时也为理解水稻籼粳亚种的分化奠定了重要基础。