GDSL脂肪酶基因RMS2调控水稻雄性育性的机制研究
发布时间：2021-01-05 12:50
水稻是最重要的粮食作物之一,育性是决定水稻产量的关键因素,雄性不育资源也是水稻杂种优势利用的重要材料。因此,在模式植物水稻中克隆雄性不育基因,研究其调控机理具有重大的理论和应用价值。植物正常的雄性育性受控于配子体组织和孢子体组织的协调发育,其中脂类物质代谢起着至关重要的作用。GDSL脂肪酶是一类具有Gly-Asp-Ser-Leu基序的酶,尽管GDSL脂肪酶已被公认为是植物发育和逆境反应中的关键酶,但它们在生殖发育中的功能仍不清楚。本研究针对一个新的水稻雄性不育突变体rms2开展了表型观察、基因克隆、转录调控等工作,获得如下研究结果:1.突变体rms2营养生长时期表型正常,农艺性状如株高、分蘖数、穗长、穗粒数等与野生型9311无明显差异。生殖发育时期,rms2雌配子育性正常,但花药短小、发白,花粉完全败育,无法结实,且不育的特征不受环境影响。2.细胞学观察显示rms2花药壁组织的绒毡层和中间层不降解,角质层和乌氏体形成滞后,花粉外壁的外壁内层不连续,小孢子的中央液泡发育缺陷。3.利用rms2与明恢63构建的F2群体进行图位克隆,将RMS2定位于2号染色体短臂。对40...
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水稻花药和花粉发育的细胞学分期(ZHANG et al.,2011)
雄性不育是指雄性器官发育异常,无法提供正常的雄配子体,从而不育的特性。这种特性在植物界中普遍存在,如水稻、玉米、小麦、棉花、高粱、油菜等主要农作物中都发现了雄性不育株,这一特性的利用在制种实践中免去了繁重的人工去雄工作、降低了生产成本,在农业生产方面具有不可替代的应用价值,成为了杂种优势利用和杂交育种的重要工具(张天真,2011)。可遗传的雄性不育可以分为质核互作雄性不育(又称细胞质不育)和细胞核雄性不育,其中细胞核雄性不育是水稻雄性不育中最常见的类型。作为雌雄同花的自花授粉作物,水稻的杂种优势利用首先需要获得雄性不育系来解决杂交配种的批量繁殖和规模化生产。目前水稻的杂种优势利用主要是“三系法”和“两系法”两种杂交技术(邓兴旺等,2013)。“三系法”以细胞质雄性不育系为遗传基础,需要实现了不育系、保持系、恢复系的“三系”配套。而上世纪80年代提出的“两系法”杂交水稻,则以光温敏雄性不育系为遗传基础,利用不同的环境条件繁殖不育系和杂交种。目前,这两种杂交稻的应用已经成熟,然而对于大量的隐性核不育资源却鲜少利用,并且这两种技术的缺陷也逐渐暴露出来:三系法育种受恢保关系限制,可用作三系组合的稻种资源非常少,种质资源利用率极低。两系法受外界环境的制约,应用范围有限,并且会影响杂交种的纯度和产量。因此,如何在现有技术基础上,开发出拓宽配组自由度、繁殖过程简单易行、不受天气环境制约的杂交水稻新技术成为了杂交水稻发展的迫切要求。目前,正在研发的第三代杂交育种技术即智能不育杂交育种技术有望利用大量的隐性核不育基因资源,极大提高生产效率。(邓兴旺等,2013;袁隆平,2016)。如利用雄性育性控制基因ZmMs30构建的玉米多控不育体系,OsNP1创制的水稻智能不育系(AN et al.,2019;CHANG et al.,2016)。其原理是以已知隐性核不育基因的不育材料ms/ms为背景,将3个核心功能基因元件(MS-AA-RFP)连锁转入到不育材料中。这3个核心元件分别是:可以恢复正常育性的该已知雄性育性控制基因MS,花粉致死基因AA(ɑ-淀粉酶基因)和种子筛选基因(红色荧光蛋白基因RFP)(图1-2)。其自交后代种子经荧光分选仪器筛选后可以获得一半不含转基因元件的不育系,一半含转基因元件的杂合后代作为保持系(CHANG et al.,2016)。该技术将传统杂交育种技术与现代生物工程技术结合起来,不受外界环境和遗传背景的影响,有望利用大量的隐性核不育种质资源,快速选育优质、高产、适应性强的优良组合。近期国内外科学家报道的以无融合生殖为遗传基础的“一系法”研究,敲除与减数分裂相关的若干基因,使水稻生殖细胞不经过正常减数分裂,也具有广阔的应用前景(KHANDAY et al.,2019;WANG et al.,2019)。因而不断挖掘雄性不育基因、深入研究水稻生殖发育过程,为新的水稻育种技术奠定了理论基础,同时在植物花器官发育的理论研究方面也有着重要的意义。目前为止已有超过50个核不育基因被报道,功能涉及到小孢子母细胞分化、减数分裂、绒毡层程序性死亡、花粉壁形成、花药开裂等众多方面(GUO and LIU,2012;胡骏等,2013;王多祥等,2016)。本文主要描述细胞核不育类型的已克隆基因及功能研究进展。1.2.1 影响雄配子发育的相关基因研究进展
植物花粉壁是植物雄性生殖细胞外表面的特殊细胞壁结构,其不仅能保护生殖细胞免受干燥环境和微生物的侵害,同时也在授粉的各个方面例如花粉粘附识别、水合作用、萌发等起着重要作用。花药腔中初生孢母细胞分裂为被初生细胞壁包裹着的小孢子母细胞,初生细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成。到四分体花粉时期花粉壁开始发育,花粉粒细胞质膜的外表面覆盖有厚的胼胝质壁,随后初生外壁作为孢粉素受体在胼胝质壁内侧与质膜之间沉积,随着绒毡层合成的孢粉素不断沉积,外壁的柱状结构、顶状基本结构形成,各自延伸成不同形态。到游离小孢子时期,胼胝质壁溶解,外壁的厚度增加,柱状结构和顶状结构生长伸长,花粉内壁在双细胞核花粉时期不断发育,与花粉外壁合为花粉壁。最终,发育成熟的花粉壁结构由外向内依次是由顶状结构和柱状结构组成的外壁外层、外壁内层Ⅰ和Ⅱ、内层、细胞质膜,其中外壁外层和外壁内层组成花粉外壁(图1-3)(ZHANG et al.,2011)。花粉外壁的发育主要包括初生外壁形成、胼胝质壁形成及孢粉素合成这三个关键过程,研究表明孢粉素前体是在绒毡层细胞中催化合成的,而初生外壁和胼胝质壁为孢粉素的沉积提供了结构基础,因此孢粉素的合成与花粉外壁的发育乃至花粉粒的育性密不可分(ARIIZUMI and TORIYAMA,2011)。孢粉素作为组成花粉外壁的主要组成成分,其成分复杂,虽然不同物种的花粉粒外观结构差异很大,但是孢粉素的组成成分和合成过程在植物中高度保守,孢粉素并不是均一的大分子,而是复杂的生物聚合物,主要由长链脂肪酸和酚类化合物等组成。目前与孢粉素合成、运输等相关的基因已经被克隆并对花粉壁的发育形成具有重要的影响(表1-3)。植物中已经报道CYP703A2、CYP703A3、CYP704B2、OsC6、PDA1/OsABCG15、ABCG26(ATP-Binding Cassette Transporter G26)、PpASCL(anther-specific chalcone synthase-like enzyme)等基因是孢粉素前体合成、运输基因(AYA et al.,2009;COLPITTS et al.,2011;LI et al.,2010;NIU et al.,2013a;TSUCHIYA et al.,1994;WU et al.,2014;ZHANG et al.,2010)。其中拟南芥ABCG26和水稻OsABCG15同样作用于孢粉素前体从绒毡层经花药内腔至花粉外壁的运输过程,从而影响孢粉素沉积和花粉外壁发育(QUILICHINI et al.,2010;QUILICHINI et al.,2014;ZHAO et al.,2015a)。拟南芥酰基辅酶A合成酶ACOS5参与孢粉素前体合成,LAP5、LAP6与ACOS5共表达,lap5/lap6双突变体的花药外壁缺失,完全不育(KIM et al.,2010)。水稻的OsACOS12是ACOS5的同源基因,该基因突变会表现出外层孢粉缺陷,进而导致水稻雄性不育的表型(LI et al.,2016)。拟南芥中MS188(MALE STERILE 188)和AMS(ABORTED MICROSPORES)两个转录因子可以形成复合体激活CYP703A2表达,从而参与孢粉素前体在绒毡层中的合成(XIONG et al.,2016)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代杂交水稻初步研究成功[J]. 袁隆平. 科学通报. 2016(31)
[2]水稻雄性发育功能基因的发掘及应用[J]. 王多祥,祝万万,袁政,张大兵. 生命科学. 2016(10)
[3]籼稻93-11辐射诱变突变体库的创建及其筛选[J]. 龙湍,安保光,李新鹏,张维,李京琳,杨瑶华,曾翔,吴永忠,黄培劲. 中国水稻科学. 2016(01)
[4]杂交水稻育种将迎来新时代[J]. 邓兴旺,王海洋,唐晓艳,周君莉,陈浩东,何光明,陈良碧,许智宏. 中国科学:生命科学. 2013(10)
[5]水稻雄性不育与杂种优势的利用[J]. 胡骏,黄文超,朱仁山,李绍清,朱英国. 武汉大学学报(理学版). 2013(01)
[6]水稻（Oryza sativa L.）花粉及花药壁发育的超微结构研究[J]. 卢永根,冯九焕,刘向东,徐雪宾. 中国水稻科学. 2002(01)
[7]水稻花粉发育过程及其分期[J]. 冯九焕,卢永根,刘向东,徐雪宾. 中国水稻科学. 2001(01)
[8]杂交水稻超高产育种策略[J]. 程式华,翟虎渠. 农业现代化研究. 2000(03)
博士论文
[1]水稻种子磷酸化蛋白质组学研究与OsbZIP72的功能分析[D]. 邱结华.中国农业科学院 2017
[2]水稻类病斑基因SPL30的功能研究及温敏型黄绿叶突变体ygl的鉴定[D]. 阮班普.沈阳农业大学 2017
硕士论文
[1]水稻雄性不育基因MIL3的图位克隆与功能研究[D]. 冯梦诗.扬州大学 2016
[2]水稻编码类胡萝卜素异构酶基因ZEBRA LEAF 2的鉴定与克隆[D]. 赵娟.中国计量学院 2014
本文编号：2958694
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水稻花药和花粉发育的细胞学分期(ZHANG et al.,2011)
雄性不育是指雄性器官发育异常,无法提供正常的雄配子体,从而不育的特性。这种特性在植物界中普遍存在,如水稻、玉米、小麦、棉花、高粱、油菜等主要农作物中都发现了雄性不育株,这一特性的利用在制种实践中免去了繁重的人工去雄工作、降低了生产成本,在农业生产方面具有不可替代的应用价值,成为了杂种优势利用和杂交育种的重要工具(张天真,2011)。可遗传的雄性不育可以分为质核互作雄性不育(又称细胞质不育)和细胞核雄性不育,其中细胞核雄性不育是水稻雄性不育中最常见的类型。作为雌雄同花的自花授粉作物,水稻的杂种优势利用首先需要获得雄性不育系来解决杂交配种的批量繁殖和规模化生产。目前水稻的杂种优势利用主要是“三系法”和“两系法”两种杂交技术(邓兴旺等,2013)。“三系法”以细胞质雄性不育系为遗传基础,需要实现了不育系、保持系、恢复系的“三系”配套。而上世纪80年代提出的“两系法”杂交水稻,则以光温敏雄性不育系为遗传基础,利用不同的环境条件繁殖不育系和杂交种。目前,这两种杂交稻的应用已经成熟,然而对于大量的隐性核不育资源却鲜少利用,并且这两种技术的缺陷也逐渐暴露出来:三系法育种受恢保关系限制,可用作三系组合的稻种资源非常少,种质资源利用率极低。两系法受外界环境的制约,应用范围有限,并且会影响杂交种的纯度和产量。因此,如何在现有技术基础上,开发出拓宽配组自由度、繁殖过程简单易行、不受天气环境制约的杂交水稻新技术成为了杂交水稻发展的迫切要求。目前,正在研发的第三代杂交育种技术即智能不育杂交育种技术有望利用大量的隐性核不育基因资源,极大提高生产效率。(邓兴旺等,2013;袁隆平,2016)。如利用雄性育性控制基因ZmMs30构建的玉米多控不育体系,OsNP1创制的水稻智能不育系(AN et al.,2019;CHANG et al.,2016)。其原理是以已知隐性核不育基因的不育材料ms/ms为背景,将3个核心功能基因元件(MS-AA-RFP)连锁转入到不育材料中。这3个核心元件分别是:可以恢复正常育性的该已知雄性育性控制基因MS,花粉致死基因AA(ɑ-淀粉酶基因)和种子筛选基因(红色荧光蛋白基因RFP)(图1-2)。其自交后代种子经荧光分选仪器筛选后可以获得一半不含转基因元件的不育系,一半含转基因元件的杂合后代作为保持系(CHANG et al.,2016)。该技术将传统杂交育种技术与现代生物工程技术结合起来,不受外界环境和遗传背景的影响,有望利用大量的隐性核不育种质资源,快速选育优质、高产、适应性强的优良组合。近期国内外科学家报道的以无融合生殖为遗传基础的“一系法”研究,敲除与减数分裂相关的若干基因,使水稻生殖细胞不经过正常减数分裂,也具有广阔的应用前景(KHANDAY et al.,2019;WANG et al.,2019)。因而不断挖掘雄性不育基因、深入研究水稻生殖发育过程,为新的水稻育种技术奠定了理论基础,同时在植物花器官发育的理论研究方面也有着重要的意义。目前为止已有超过50个核不育基因被报道,功能涉及到小孢子母细胞分化、减数分裂、绒毡层程序性死亡、花粉壁形成、花药开裂等众多方面(GUO and LIU,2012;胡骏等,2013;王多祥等,2016)。本文主要描述细胞核不育类型的已克隆基因及功能研究进展。1.2.1 影响雄配子发育的相关基因研究进展
植物花粉壁是植物雄性生殖细胞外表面的特殊细胞壁结构,其不仅能保护生殖细胞免受干燥环境和微生物的侵害,同时也在授粉的各个方面例如花粉粘附识别、水合作用、萌发等起着重要作用。花药腔中初生孢母细胞分裂为被初生细胞壁包裹着的小孢子母细胞,初生细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成。到四分体花粉时期花粉壁开始发育,花粉粒细胞质膜的外表面覆盖有厚的胼胝质壁,随后初生外壁作为孢粉素受体在胼胝质壁内侧与质膜之间沉积,随着绒毡层合成的孢粉素不断沉积,外壁的柱状结构、顶状基本结构形成,各自延伸成不同形态。到游离小孢子时期,胼胝质壁溶解,外壁的厚度增加,柱状结构和顶状结构生长伸长,花粉内壁在双细胞核花粉时期不断发育,与花粉外壁合为花粉壁。最终,发育成熟的花粉壁结构由外向内依次是由顶状结构和柱状结构组成的外壁外层、外壁内层Ⅰ和Ⅱ、内层、细胞质膜,其中外壁外层和外壁内层组成花粉外壁(图1-3)(ZHANG et al.,2011)。花粉外壁的发育主要包括初生外壁形成、胼胝质壁形成及孢粉素合成这三个关键过程,研究表明孢粉素前体是在绒毡层细胞中催化合成的,而初生外壁和胼胝质壁为孢粉素的沉积提供了结构基础,因此孢粉素的合成与花粉外壁的发育乃至花粉粒的育性密不可分(ARIIZUMI and TORIYAMA,2011)。孢粉素作为组成花粉外壁的主要组成成分,其成分复杂,虽然不同物种的花粉粒外观结构差异很大,但是孢粉素的组成成分和合成过程在植物中高度保守,孢粉素并不是均一的大分子,而是复杂的生物聚合物,主要由长链脂肪酸和酚类化合物等组成。目前与孢粉素合成、运输等相关的基因已经被克隆并对花粉壁的发育形成具有重要的影响(表1-3)。植物中已经报道CYP703A2、CYP703A3、CYP704B2、OsC6、PDA1/OsABCG15、ABCG26(ATP-Binding Cassette Transporter G26)、PpASCL(anther-specific chalcone synthase-like enzyme)等基因是孢粉素前体合成、运输基因(AYA et al.,2009;COLPITTS et al.,2011;LI et al.,2010;NIU et al.,2013a;TSUCHIYA et al.,1994;WU et al.,2014;ZHANG et al.,2010)。其中拟南芥ABCG26和水稻OsABCG15同样作用于孢粉素前体从绒毡层经花药内腔至花粉外壁的运输过程,从而影响孢粉素沉积和花粉外壁发育(QUILICHINI et al.,2010;QUILICHINI et al.,2014;ZHAO et al.,2015a)。拟南芥酰基辅酶A合成酶ACOS5参与孢粉素前体合成,LAP5、LAP6与ACOS5共表达,lap5/lap6双突变体的花药外壁缺失,完全不育(KIM et al.,2010)。水稻的OsACOS12是ACOS5的同源基因,该基因突变会表现出外层孢粉缺陷,进而导致水稻雄性不育的表型(LI et al.,2016)。拟南芥中MS188(MALE STERILE 188)和AMS(ABORTED MICROSPORES)两个转录因子可以形成复合体激活CYP703A2表达,从而参与孢粉素前体在绒毡层中的合成(XIONG et al.,2016)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代杂交水稻初步研究成功[J]. 袁隆平. 科学通报. 2016(31)
[2]水稻雄性发育功能基因的发掘及应用[J]. 王多祥,祝万万,袁政,张大兵. 生命科学. 2016(10)
[3]籼稻93-11辐射诱变突变体库的创建及其筛选[J]. 龙湍,安保光,李新鹏,张维,李京琳,杨瑶华,曾翔,吴永忠,黄培劲. 中国水稻科学. 2016(01)
[4]杂交水稻育种将迎来新时代[J]. 邓兴旺,王海洋,唐晓艳,周君莉,陈浩东,何光明,陈良碧,许智宏. 中国科学:生命科学. 2013(10)
[5]水稻雄性不育与杂种优势的利用[J]. 胡骏,黄文超,朱仁山,李绍清,朱英国. 武汉大学学报(理学版). 2013(01)
[6]水稻（Oryza sativa L.）花粉及花药壁发育的超微结构研究[J]. 卢永根,冯九焕,刘向东,徐雪宾. 中国水稻科学. 2002(01)
[7]水稻花粉发育过程及其分期[J]. 冯九焕,卢永根,刘向东,徐雪宾. 中国水稻科学. 2001(01)
[8]杂交水稻超高产育种策略[J]. 程式华,翟虎渠. 农业现代化研究. 2000(03)
博士论文
[1]水稻种子磷酸化蛋白质组学研究与OsbZIP72的功能分析[D]. 邱结华.中国农业科学院 2017
[2]水稻类病斑基因SPL30的功能研究及温敏型黄绿叶突变体ygl的鉴定[D]. 阮班普.沈阳农业大学 2017
硕士论文
[1]水稻雄性不育基因MIL3的图位克隆与功能研究[D]. 冯梦诗.扬州大学 2016
[2]水稻编码类胡萝卜素异构酶基因ZEBRA LEAF 2的鉴定与克隆[D]. 赵娟.中国计量学院 2014
本文编号：2958694
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