水稻耐热性状基因HTS1的克隆及分子进化研究

In recent years, heat stress occurring more frequently in China, has been a severe problem that has negative effects on rice production and ecological environment. It is an efficient way to improve the heat stress resisitance of rice by mapping and cloning heat tolerant genes and cultivating heat tolerant varieties. By using a set of introgression lines, derived from a cross between Yuanjiang common wild rice(O. rufipogon Griff.) and an Indian cultivar Teqing(Oryza Sativa L.), the QTL qHTS1 was detected in chromosome 1, the O. rufipogon-derived alleles increased sensitivity to heat, and a heat sensitive introgression line YIL106 was obtained. The YIL106×Teqing was used to build sub-backcross segregating populations and fine mapping HTS1. In this study, the HTS 1 gene from common wild rice will be fine-mapped and cloned, its function and the possible signal transduction which the HTS1 may be involved in under heat stress will be explored, and also the molecular evolution of HTS1 during rice domestication will be analyzed. The results will not only play a vital role in revealing the mechanism of heat-tolerance in rice, but provide new genes for heat tolerant varieties.

高温热害频发，造成大面积水稻减产，已成为影响我国南方稻区水稻安全生产的最主要气象灾害。定位并克隆水稻耐热性状基因，培育耐高温的水稻新品种是增强水稻抗高温能力和提高产量稳定性的最有效途径。申请人前期利用以籼稻品种“特青”为背景的元江普通野生稻渗入系，通过苗期耐热性鉴定，在第1染色体定位到一个来自元江普通野生稻的耐热性状相关主效QTL（qHTS1），目前该基因定位在一个约400kb的区间内，并筛选出一个携带qHTS1的热敏感渗入系YIL106，构建了该渗入系与特青的次级分离群体。本项目将在此基础上，克隆耐热性状HTS1基因并鉴定其生物学功能，探索该基因在热胁迫下可能参与的调控途径，研究HTS1基因在水稻驯化过程中的变化和选择规律。研究结果不仅为揭示水稻耐热遗传调控与驯化的分子机理提供重要参考，也为培育耐热水稻新品种提供新的基因。

高温胁迫是影响水稻产量和品质的主要限制因子之一。本项目利用构建的野生稻渗入系材料，挖掘水稻耐热关键基因、初步解析基因功能并创制耐热水稻新材料和品种。利用水稻全基因组芯片，比较热敏感渗入系YIL106和耐热品种特青在42℃高温处理1h后的表达谱，利用荧光实时定量PCR对QTL定位区域内的基因表达谱进行了验证，再对野生稻染色体片段渗入区域内的基因进行筛选。结合生物信息学方法，通过PCR扩增及测序验证，最终确定位于该区域内的的3个热胁迫相关基因为候选基因。对33个国内外代表性水稻品种的耐热表型和耐热候选相关基因的基因型的相关性分析，表明这2个基因（LOC_Os01g19020、LOC_Os01g23630）的基因型与耐热表型存在显著相关性。对候选基因LOC_Os01g19020进行过表达转基因验证，转基因植株与对照相比，耐热性明显增强，初步验证了候选基因的功能。研究结果对阐明稻米耐热调控的分子机理，提供新的基因用于耐热水稻分子育种，培育耐热抗逆水稻品种具有重要意义。. 生理生化相关研究表明，在高温胁迫的条件下，热敏感渗入系YIL106比耐热品种特青的叶绿素含量和光和能力下降更为明显、膜透性更高、MDA含量更高、可溶性糖含量更低；高温胁迫下，水稻的花药开裂系数、花粉活力、花粉萌发率和柱头上花粉粒数比常温条件下低；热敏感渗入系YIL106的花药开裂系数、花粉活力、花粉萌发率和柱头上花粉粒数降低幅度均大于耐热品种特青。. 在项目资助下，克隆了水稻耐热关键基因，初步阐明了耐热性状基因HTS1基因的功能；开发了水稻耐热性状分子育种标记，并利用分子技术创制水稻新品种；共发表研究论文2篇、获湖南省科技进步二等奖1项、授权国家发明专利1项、利用研制的分子技术培育水稻新品种5个，培养研究生4人。圆满完成项目预定的各项目标。