新型四倍体水稻华多1号花粉发育细胞学和育性相关基因研究

【作者】 吴锦文； 陈远谋； 林泓； 陈洋； 于航； 陆紫君； 李翔； 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】同源四倍体水稻是由二倍体水稻通过染色体加倍获得的新种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交具有明显的生物学和产量优势,但结实率偏低一直以来是制约其在生产上应用的主要原因。为解决该问题,本研究团队利用近二十年时间创制和培育出高育性的新型四倍体水稻。研究表明,新型四倍体水稻育性高达80%,且其与低育性同源四倍体水稻杂交F1育性表现正常并可产生强大的产量优势,显示出较强的应用前景,但目前有关新型四倍体水稻的高育性机理研究还相对较少。基于此,本研究采用细胞遗传学和转录组测序技术对新型四倍体水稻华多1号的花粉发育过程进行研究,以了解和阐明其高育性的原因;【材料与方法】供试材料为新型四倍体水稻华多1号及其低育性双亲,研究采用塑料半薄切片,WE-CLSM,醋酸洋红压片和转录组测序等技术对华多1号花粉发育过程进行细胞学观察和花粉发育相关基因的表达差异研究;【结果与分析】细胞遗传学研究表明,与低育性双亲相比,新型四倍体水稻华多1号成熟花粉育性达到95.62%,其花粉母细胞减数分裂过程的异常频率较双亲明显降低,并且减数分裂期的染色体构型更为稳定。转录组测序结果表明,与低育性双亲相比,新型四倍体水稻华多1号中共检测出440个差异表达基因,其中193个差异表达基因是花粉发育过程相关基因。统计分析后发现,129个基因(～66.8%)在华多1号中是上调表达,这些基因中包括3个环境敏感型花粉不育基因(TMS9-1,TMS5,和CSA),1个减数分裂相关基因(RAD51D)和3个绒毡层调控相关基因(MIL2, Os AP25,和Os AP37)。为验证上述基因在新型四倍体水稻华多1号中的功能,我们采用基因敲除技术验证TMS9-1和TMS5在华多1号中的功能,并获得对应的突变体:nt-tms9-1和nt-tms5-1,细胞遗传学和表型分析的结果进一步验证了该基因在新型四倍体水稻华多1号中的功能。【结论】以上研究结果表明,新型四倍体水稻华多1号在花粉发育过程中表现异常频率较低。与低育性双亲相比,花粉发育相关基因的上调表达或正常表达是导致新型四倍体水稻高育性的一个主要原因。更多还原