长雄蕊野生稻长花药性状的遗传分析与基因克隆

As an important component of rice floral organs, the number and vigor of pollen grains in anther directly determine the success rate of self-pollination and cross-pollination in rice, and are important factors affecting the production efficiency of hybrid seeds. In addition, anther length was also related to outcrossing habits and cold tolerance at booting stage. However, up to now, no genes directly regulating anther length in rice have been cloned, so the related study is novel. The wild rice (Oryza longistaminata) with long anther and cultivated rice with short anther were used for identification of QTL and fine mapping and cloning of genes in this study. Compared with the materials used in previous studies, wild rice has longer anthers, and has not been applied to the study of anther length genes in previous reports. The use of this material may be helpful to break the bottleneck of previous research and achieve pioneering results. This study will help to understand the regulation of anther length development and genetic diversity, and to provide genetic resources for the cultivation of new varieties with high outcrossing rate and cold tolerance.

花药是水稻花器官重要的组成部分，其所含的花粉粒数量和活力直接决定了水稻自花和异花授粉的成功率，是影响杂交种子生产效率的重要因素。此外，花药长度还跟水稻的异交习性和孕穗期耐寒性相关。但到目前为止，还没有直接调控水稻花药长度的基因被克隆，所以该研究具有新颖性。本研究利用长花药的长雄蕊野生稻与短花药的栽培稻杂交，然后进行QTL的鉴定及基因精细定位和克隆。相比以往研究中所用的材料，长雄蕊野生稻拥有更长的花药，在以往的研究中还未被应用于花药长度基因的研究。利用该材料可能有利于打破以往研究的瓶颈，取得开拓性成果。本研究有助于增加对水稻花药长度发育调控和遗传多样性的了解，并为高异交率和耐寒新品种的培育提供基因资源。

花药长度是影响水稻异交结实率的重要影响因素，其所含的花粉粒数量和活力直接决定了水稻异花授粉的成功率。因此克隆并利用长花药性状的等位基因，培育长花药的保持系和恢复系，对大幅提高制种产量、降低制种成本，具有重要意义。本项目主要是利用长花药的长雄蕊野生稻进行水稻花药长度相关基因的克隆和功能分析。在前期研究工作的基础上，我们针对花药长度相关的两个QTL位点构建了高世代回交群体，完成了遗传分析，并对花药长度相关基因进行了精细定位。研究过程中发现，水稻花药长度是一个复杂性状，受多个基因的共同调控。我们将主效位点qAL-3区间缩小至qAL-3-2位点处，挑选候选基因进行了遗传转化，发现超表达来自短花药品种Balilla的基因片段至长雄蕊野生稻中会导致花药长度变短，且表达量与花药长度负相关。细胞学观察比较Balilla和长雄蕊野生稻发现，两者间花药发育差异在孢原细胞期或更早期前可能已经发生，影响花药长度的关键发育时期主要在减数分裂期，且细胞长度与细胞数量均对野生稻的长花药具有显著贡献。利用转录组测序比较分析了不同长度花药材料中的差异表达基因，构建了基因表达调控网络，对花药长度基因的作用机制进行了解析。另外我们还完成了位点qAL-9的遗传分析和精细定位，将基因定位在7.6 kb范围内。对候选基因进行了互补和CRISPR/Cas9基因编辑转化。比较qAL-9近等基因系中不同基因型单株的花药表皮细胞发现，长花药单株的花药更长是细胞数量引起的，与细胞长度无关。同时也对qAL-9近等基因系不同基因型单株减数分裂期花药进行了转录组测序和分析。本研究结果将有助于增加对水稻花药长度发育调控机理的了解，并为高异交率新品种的培育提供基因资源。