杂交水稻制种的分子遗传基础

【作者】 彭国清； 王木妹； 陈慧琼； 庄楚雄； 周海；

【机构】 华南农业大学生命科学学院,亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室；

【摘要】 杂交水稻被称为"第二次绿色革命",对确保我国粮食安全起到了至关重要的作用。目前,杂交水稻育种主要是传统的三系法和第二代的两系法。两系法突破了三系法的恢保关系,实现了杂交配组自由,能够更充分利用杂种优势,种植面积已经超过三系。新兴的籼粳亚种间杂交水稻,可以在传统的籼稻品种间杂交水稻的基础上再增产30%。杂种优势利用的基础是杂交制种,目前杂交制种的两大问题是制种安全性不高和制种产量低。不育起点温度高或不稳定的温敏不育系进行两系杂交制种时,如遇到不正常温度波动容易导致自交结实,从而影响杂交种子纯度和制种安全性。杂交亲本的花时(一天中开花时间)不同会导致制种产量低,尤其是籼粳水稻间的花时分化明显,往往导致籼粳亚种间杂交制种产量极低。我们利用正向遗传学克隆了我国两系杂交水稻主要使用的温敏不育基因p/tms12-1、tms5等,新型的湿敏不育基因HMS1、OsCER1等,不育起点温度基因CSIT1,普通核不育基因bp1;通过转录组和反向遗传学克隆了花时基因dfot1。利用生物化学、分子生物学、细胞生物学和各种组学分别研究了雄性不育和花时调控的机理。P/TMS12-1是最早使用的光温敏不育基因之一,转录出一个长链非编码RNA,依次通过mi R2118、RDR6和DCL4等的加工形成osa-smR5864等phasi RNA,可能通过影响基因组DNA甲基化调控水稻光/温敏不育;我们发现其多基因控制光温敏不育表型的遗传机制可能导致不育起点温度容易发生漂变,杂交制种不安全。TMS5编码核酸内切酶RNase ZS1,参与t RNA的3’端加工,可能影响了核糖体关联的蛋白质质量控制中解离下来的氨酰t RNA的再加工和循环利用;同时可以降解受高温诱导表达的Ub L40(泛素与核糖体蛋白融合基因)m RNA。高温导致tms5温敏不育系中过度积累Ub L40和蛋白质稳定性降低,可能引起蛋白质质量控制过程过度敏感,导致雄性不育。CSIT1编码E3泛素连接酶,并受高温诱导表达,其编码的蛋白与80S核糖体互作参与蛋白质质量控制。CSIT1的突变导致核糖体关联的蛋白质质量控制系统失速,缓解了tms5引起的过度敏感,不育起点温度显著提高。这些结果揭示了tms5温敏不育调控机理和不育起点温度调控机理。目前tms5已经替代p/tms12-1成为两系杂交水稻育种的主要不育基因,并且由于tms5的使用,目前两系杂交水稻种植面积超过三系。我们也发现HMS1与HMS1I互作催化特长链脂肪酸的合成,OsCER1进一步催化特长链脂肪酸形成特长链烷烃,这些物质的缺失导致水稻湿敏不育。这为两系杂交育种提供了一种可能更安全的制种模式。最终解决杂交制种安全问题,需要使用环境不敏感不育系,我们克隆了完全核不育基因bp1,并发现UDP-糖平衡调控绒毡层PCD、胼胝质体降解和花粉壁的形成。为了解决杂交制种产量低问题,我们发现DFOT1与PME互作调控浆片细胞壁果胶甲基酯化和松弛,从而调控水稻花时。敲除DFOT1或PME42可让粳稻开花从中午提前至早上,与籼稻花时相遇,提高制种产量。这些结果揭示了环境敏感雄性不育的分子机理以及调控不育起点温度的分子机理,这些工作扩大了光/温敏不育系的使用范围,促进了两系杂交育种的发展。我们的工作也首次揭示了水稻花时调控的分子机理,为解决籼粳交花时不遇奠定了理论和技术基础,将促进籼粳杂交育种的发展。更多还原