水稻杂种花粉不育基因Sc的功能分析与分子机理

However, hybrid sterility is a main barrier for the utilization of inter-subspecies heterosis. Therefore, to clone the genes of hybrid sterility and elucidate the molecular mechanism underlying is very important for foundamental research and crop production. Sc locus is one of the loci controlling hybrid male sterility in rice. We have cloned a candidate gene of Sc locus using positional cloning strategy, and found that the amino acid sequence and transcriptional level of the Sc candidate gene are significantly different between the indica and japonica. we reason that these differences may be responsible for hybrid male sterility. To test this possibility, we plan to study the function and molecular mechanism of the Sc gene in this project. Firstly, we have confirmed Sc is essential for rice stamen development by using RNAi to silence this gene in rice, and in this project, we will further perform detail cytological investigation and related gene expression analysis to elucidate the biological function of Sc gene. Secondly, we will transform the Sc allele with indica genotype and the recombinational Sc allele with japonica genotype to Taichong65 (T65, japonica) to confirm the hybrid sterile function of the Sc candidate gene. in addition, we will study the protein accumulation, the subcellular localization and the interaction of Sc proteins encoded by indica and japonica alleles. Through this project, we will have a better understanding of hybrid sterility and lay a foundation for the utilization of strong heterosis between indica and japonica.

水稻籼粳亚种间杂种具有强大的杂种优势，但是杂种不育限制了亚种间杂种优势的有效利用，因此克隆杂种不育基因，阐明杂种不育的分子机理，在理论和生产实践上均有重要的意义。前期通过图位克隆的方法我们已经克隆到了控制水稻籼粳亚种间杂种不育的Sc候选基因，并发现候选基因等位基因间在氨基酸序列和表达水平均存在大量差异。利用RNA干涉技术沉默Sc基因导致水稻花药发育异常，初步表明该基因为花药发育必需基因。本项目拟在前期研究的基础上通过转化体的细胞学观察和绒毡层发育相关基因的表达分析进一步研究Sc调控水稻花药发育的分子机制；同时通过转化体后代的遗传分析，结合等位基因间的蛋白互作研究，等位基因的亚细胞定位以及目的基因的表达模式研究，验证候选基因杂种不育功能，揭示水稻杂种花粉不育的分子机理。本项目的实施将为深入理解水稻籼粳杂种不育提供了重要的理论指导，为水稻亚种间杂种优势的有效利用奠定基础。

水稻籼粳杂种存在严重的杂种不育现象，导致结实率下降，极大限制了强杂种优势的利用。克隆控制植物杂种不育的基因并阐明其分子机理，在理论和生产实践上有重要的意义。我们前期的研究定位了一个控制水稻籼粳杂种不育的主效遗传座位Sc。在过去3年中，通过国家基金委资助，本项目进一步克隆了Sc座位的目标基因并验证了候选基因的杂种不育功能，同时提出了一个分子遗传模型解析Sc座位杂种不育的分子机理。本项目主要研究内容以及获得的重要结果包括以下五个方面：（1）通过序列分析发现，籼粳等位基因Sc-j与 Sc-i间存在复杂的基因结构和基因拷贝数变异。其中，粳型等位基因座仅包含一个基因Sc-j，而籼型基因座Sc-i存在序列重组和大片段基因拷贝数重复（CNVs）；（2）发现Sc-i座位CNVs与杂种不育密切相关，重复拷贝的数目越多，籼粳杂种不育程度越严重；（3）表达分析显示Sc-j基因在二核期花粉中特异表达，功能验证发现Sc-j基因是花粉发育必需基因；（4）籼粳杂种F1中Sc等位基因的遗传互作会导致粳型Sc-j基因表达水平的大幅度下降，造成携带Sc-j的花粉选择性败育；（5）利用CRISPR/Cas9技术修饰Sc-i座位的基因拷贝数可以克服该座位的杂种不育效应，创造杂种亲和材料。本项目克隆了一个新的籼粳杂种不育基因，发现了基因CNVs控制了水稻杂种不育，而CNVs调控物种生殖隔离与等位基因的表达的现象还未见报道；同时揭示了一种基于等位基因剂量效应驱动的选择性基因沉默即称为等位抑制（allelic suppression）的新型杂种不育分子机制，该现象的发现将进一步丰富对基因表达调控机制的认识；本项目还建立了一种高效的基于基因编辑打破亚种间杂种不亲和性的技术方法，这种策略可为其他位点杂种不育的克服提供借鉴。总之，本研究成果深化了人们对杂种不育分子遗传机制的认识，为进一步利用籼粳杂种优势奠定了理论和技术基础。