S1座位控制的亚非稻种间杂种不育的分子机制研究

Interspecific hybrids of Asian and African rice have stronger hybrid vigor, but these hybrids suffer from severe hybrid sterility that restricts the utilization of hybrid vigor. The S1 locus is an important genetic factor affecting the female and male incompatibility between Asian and African rice. However, the molecular mechanism of S1 locus is not clear. Recently, we demonstrated that among the common allele, only TPR1 is required for S1-mediated hybrid sterility in the S1-mapping region, but TPR1 alone could not induce hybrid sterility. Based on current knowledge, we speculated that the TPR1-mediated hybrid sterility may require other African rice specific factors for its proper function. To verify this hypothesis and reveal the underlying molecular mechanism of S1-mediaed hybrid sterility, CRISPR/Cas9-based genome editing and functional complementary will be performed to indicate genetic interaction among TPR1 and other African rice specific factors; yeast one or two-hybrid, co-immunoprecipitation, and CBA will be conducted to illuminate molecular interaction among TPR1 and other African rice specific factors. Our results of this study will provide molecular insights to the hybrid sterility and may offer a new genome editing-based strategy to break the hybrid incompatibility for further exploit of interspecific hybrid vigor.

亚非稻种间杂种具有强大的杂种优势，但亚非稻种间存在严重的杂种不育，这极大限制了杂种优势的利用。S1座位是一个能引起亚非稻种间杂种雌雄不育的重要位点，但其分子机制还不明确。申请人前期证实了在S1座位定位区间内，亚非共有等位基因中只有TPR1是S1座位控制的杂种不育必需基因，但其不能单独控制杂种不育。据此申请人推测TPR1发挥杂种不育功能需要与若干个S1座位定位区间内的非洲稻的特异因子共同参与才能实现。为了验证这一假设，深入研究S1座位控制的杂种不育分子机制，本项目拟采用CRISPR/Cas9基因编辑和功能互补明确TPR1与非洲稻特异基因的遗传互作关系；利用酵母单（双）杂交、免疫共沉淀以及实验室建立的CBA等技术解析TPR1与非洲稻特异基因的分子互作关系。本项目的实施将有助于阐明水稻种间杂种不育的分子机制，建立基于基因编辑的创建杂种亲和系的技术方法，为进一步利用远缘杂种优势奠定坚实的基础。

亚洲栽培稻和非洲栽培稻（简称“亚非稻”）种间杂种具有强大的杂种优势，但亚非稻种间存在严重的杂种不育，导致结实率下降，杂种产量优势无法体现，极大限制了远缘杂种优势利用。S1座位是引起亚非稻种间杂种雌雄不育的一个重要位点，但其分子遗传机制还不明确。针对这一科学问题，在国家自然科学基金青年项目支持下开展相关的科研工作，取得了良好的科研进展，成功克隆了相关基因，并阐明他们的遗传和分子互作关系，发表了2篇SCI论文，1篇中文核心论文，申请1项发明专利。.（1）本项目通过CRISPR/Cas9技术敲除非洲稻特异因子（S1A2~A6），发现这些敲除体的花粉和小穗育性是全可育。然后将这些突变体与近等基因系杂交，获得突变F1（mF1），其中S1A4和S1A6的突变能够恢复杂种F1的育性，而其他的突变不能恢复育性。这些结果表明，S1A4和S1A6是S1座位介导杂种不育的关键基因。.（2）本项目通过对S1TPR、S1A4和S1A6进行功能互补，发现只有三个基因的聚合能够重现花粉和小穗半不育。通过F2后代的遗传分析发现，S1A4-A6t呈现孟德尔自由分离规律，而S1TPRt则优势传递，呈现严重的偏分离。表明S1A4，S1A6与S1TPR在孢子体中形成一个完整的杀手系统，同时S1TPR能够对配子产生保护作用。.（3）利用BiFC技术和Pull-down技术探究S1TPR、S1A4和S1A6之间的互作关系。研究发现，三者能够在体内形成一个复合体而且S1A4分别与S1TPR和S1A6相互作用，而S1TPR和S1A6之间不直接相互作用。. 综上所述，本项目阐明了S1A4，S1A6与S1TPR的相互关系，提出了杂种不育的分子模型，创建了种间杂种亲和系。这些研究为今后远缘杂种优势打下了坚实的基础和技术支撑。