转录因子MOF1a调控四倍体水稻花粉发育的细胞学和分子遗传学研究

【作者】 陆紫君； 吴锦文； Muhammad Qasim Shahid； 刘向东；

【机构】 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室；

【摘要】 【研究背景】同源四倍体水稻是多倍体水稻育种的重要种质资源,但低育性长期限制其生产应用。本研究团队利用特异同源四倍体水稻杂交选育出新型四倍体水稻(neo-tetraploid rice),该水稻具有育性高等特性。前期研究表明MYB转录因子MOF1可能影响四倍体水稻花粉发育过程,但对MOF1在四倍体水稻花粉发育过程中起的具体作用知之甚少。因此,开展MOF1调控四倍体水稻花粉发育的细胞学和分子遗传学机理具有重要意义。【材料与方法】供试材料为新型四倍体水稻华多1号、低育性自交系LF、高育性自交系HF以及华多1号MOF1a基因突变体mof1a,方法采用塑料半薄切片和WE-CLSM等细胞学、转录组学和CRISRP/Cas9基因编辑技术等。【结果与分析】在新型四倍体水稻中鉴定到MYB转录因子MOF1的一个新单倍型并命名为MOF1a。转录组、qRT-PCR、GUS显色反应等研究表明MOF1a在花药中高水平表达,而在H1/LF和HF/LF两组不同育性四倍体水稻的减数分裂花药中差异表达。采用CRISRP/Cas9技术以新型四倍体水稻华多1号为受体创建MOF1a编码区移码突变的突变体mof1a。mof1a结实率显著下降,仅为36.60%。mof1a雌配子发育正常,大量败育花粉和花粉活力的下降是引起其结实率下降的主要原因。在mof1a的花药发育过程中,中层细胞和绒毡层细胞出现延迟降解,花粉母细胞在减数分裂过程中的染色体行为异常率大幅度增加。转录组学研究揭示MOF1a功能缺陷后,大量育性相关基因在mof1a减数分裂期花药中转录水平出现显著性变化,其中包括676个基因上调表达和117个基因下调表达。分析发现,13个已知的绒毡层基因上调表达,包括CYP703A3、PTC1、Os ABCG26和Os ABCG15等。此外,有335个差异表达基因可能与减数分裂相关,其中9个基因在三组不同育性四倍体水稻和两组不同倍性水稻花药转录组中都差异表达,与四倍体水稻育性相关。【结论】以上研究结果表明,MOF1a在四倍体水稻花粉发育过程中起重要作用,结果为阐明MOF1a在四倍体水稻花粉育性的调控机制及其育种应用提供基础。更多还原