水稻是最重要的糧食作物之一,育性是決定水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,雄性不育資源也是水稻雜種優(yōu)勢(shì)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,研究其調(diào)控機(jī)理具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值。植物正常的雄性育性受控于配子體組織和孢子體組織的協(xié)調(diào)發(fā)育,其中脂類物質(zhì)代謝起著至關(guān)重要的作用。GDSL脂肪酶是一類具有Gly-Asp-Ser-Leu基序的酶,盡管GDSL脂肪酶已被公認(rèn)為是植物發(fā)育和逆境反應(yīng)中的關(guān)鍵酶,但它們?cè)谏嘲l(fā)育中的功能仍不清楚。本研究針對(duì)一個(gè)新的水稻雄性不育突變體rms2開展了表型觀察、基因克隆、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等工作,獲得如下研究結(jié)果:1.突變體rms2營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期表型正常,農(nóng)藝性狀如株高、分蘗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)等與野生型9311無(wú)明顯差異。生殖發(fā)育時(shí)期,rms2雌配子育性正常,但花藥短小、發(fā)白,花粉完全敗育,無(wú)法結(jié)實(shí),且不育的特征不受環(huán)境影響。2.細(xì)胞學(xué)觀察顯示rms2花藥壁組織的絨氈層和中間層不降解,角質(zhì)層和烏氏體形成滯后,花粉外壁的外壁內(nèi)層不連續(xù),小孢子的中央液泡發(fā)育缺陷。3.利用rms2與明恢63構(gòu)建的F₂群體進(jìn)行圖位克隆,將RMS2定位于2號(hào)染色體短臂。對(duì)40... 

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水稻花藥和花粉發(fā)育的細(xì)胞學(xué)分期(ZHANG et al.,2011)

雄性不育是指雄性器官發(fā)育異常,無(wú)法提供正常的雄配子體,從而不育的特性。這種特性在植物界中普遍存在,如水稻、玉米、小麥、棉花、高粱、油菜等主要農(nóng)作物中都發(fā)現(xiàn)了雄性不育株,這一特性的利用在制種實(shí)踐中免去了繁重的人工去雄工作、降低了生產(chǎn)成本,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值,成為了雜種優(yōu)勢(shì)利用和雜交育種的重要工具(張?zhí)煺?2011)。可遺傳的雄性不育可以分為質(zhì)核互作雄性不育(又稱細(xì)胞質(zhì)不育)和細(xì)胞核雄性不育,其中細(xì)胞核雄性不育是水稻雄性不育中最常見的類型。作為雌雄同花的自花授粉作物,水稻的雜種優(yōu)勢(shì)利用首先需要獲得雄性不育系來(lái)解決雜交配種的批量繁殖和規(guī)模化生產(chǎn)。目前水稻的雜種優(yōu)勢(shì)利用主要是“三系法”和“兩系法”兩種雜交技術(shù)(鄧興旺等,2013)�！叭捣ā币约�(xì)胞質(zhì)雄性不育系為遺傳基礎(chǔ),需要實(shí)現(xiàn)了不育系、保持系、恢復(fù)系的“三系”配套。而上世紀(jì)80年代提出的“兩系法”雜交水稻,則以光溫敏雄性不育系為遺傳基礎(chǔ),利用不同的環(huán)境條件繁殖不育系和雜交種。目前,這兩種雜交稻的應(yīng)用已經(jīng)成熟,然而對(duì)于大量的隱性核不育資源卻鮮少利用,并且這兩種技術(shù)的缺陷也逐漸暴露出來(lái):三系法育種受恢保關(guān)系限制,可用作三系組合的稻種資源非常少,種質(zhì)資源利用率極低。兩系法受外界環(huán)境的制約,應(yīng)用范圍有限,并且會(huì)影響雜交種的純度和產(chǎn)量。因此,如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,開發(fā)出拓寬配組自由度、繁殖過(guò)程簡(jiǎn)單易行、不受天氣環(huán)境制約的雜交水稻新技術(shù)成為了雜交水稻發(fā)展的迫切要求。目前,正在研發(fā)的第三代雜交育種技術(shù)即智能不育雜交育種技術(shù)有望利用大量的隱性核不育基因資源,極大提高生產(chǎn)效率。(鄧興旺等,2013;袁隆平,2016)。如利用雄性育性控制基因ZmMs30構(gòu)建的玉米多控不育體系,OsNP1創(chuàng)制的水稻智能不育系(AN et al.,2019;CHANG et al.,2016)。其原理是以已知隱性核不育基因的不育材料ms/ms為背景,將3個(gè)核心功能基因元件(MS-AA-RFP)連鎖轉(zhuǎn)入到不育材料中。這3個(gè)核心元件分別是:可以恢復(fù)正常育性的該已知雄性育性控制基因MS,花粉致死基因AA(ɑ-淀粉酶基因)和種子篩選基因(紅色熒光蛋白基因RFP)(圖1-2)。其自交后代種子經(jīng)熒光分選儀器篩選后可以獲得一半不含轉(zhuǎn)基因元件的不育系,一半含轉(zhuǎn)基因元件的雜合后代作為保持系(CHANG et al.,2016)。該技術(shù)將傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)與現(xiàn)代生物工程技術(shù)結(jié)合起來(lái),不受外界環(huán)境和遺傳背景的影響,有望利用大量的隱性核不育種質(zhì)資源,快速選育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良組合。近期國(guó)內(nèi)外科學(xué)家報(bào)道的以無(wú)融合生殖為遺傳基礎(chǔ)的“一系法”研究,敲除與減數(shù)分裂相關(guān)的若干基因,使水稻生殖細(xì)胞不經(jīng)過(guò)正常減數(shù)分裂,也具有廣闊的應(yīng)用前景(KHANDAY et al.,2019;WANG et al.,2019)。因而不斷挖掘雄性不育基因、深入研究水稻生殖發(fā)育過(guò)程,為新的水稻育種技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ),同時(shí)在植物花器官發(fā)育的理論研究方面也有著重要的意義。目前為止已有超過(guò)50個(gè)核不育基因被報(bào)道,功能涉及到小孢子母細(xì)胞分化、減數(shù)分裂、絨氈層程序性死亡、花粉壁形成、花藥開裂等眾多方面(GUO and LIU,2012;胡駿等,2013;王多祥等,2016)。本文主要描述細(xì)胞核不育類型的已克隆基因及功能研究進(jìn)展。1.2.1 影響雄配子發(fā)育的相關(guān)基因研究進(jìn)展

植物花粉壁是植物雄性生殖細(xì)胞外表面的特殊細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),其不僅能保護(hù)生殖細(xì)胞免受干燥環(huán)境和微生物的侵害,同時(shí)也在授粉的各個(gè)方面例如花粉粘附識(shí)別、水合作用、萌發(fā)等起著重要作用�；ㄋ幥恢谐跎吣讣�(xì)胞分裂為被初生細(xì)胞壁包裹著的小孢子母細(xì)胞,初生細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠組成。到四分體花粉時(shí)期花粉壁開始發(fā)育,花粉粒細(xì)胞質(zhì)膜的外表面覆蓋有厚的胼胝質(zhì)壁,隨后初生外壁作為孢粉素受體在胼胝質(zhì)壁內(nèi)側(cè)與質(zhì)膜之間沉積,隨著絨氈層合成的孢粉素不斷沉積,外壁的柱狀結(jié)構(gòu)、頂狀基本結(jié)構(gòu)形成,各自延伸成不同形態(tài)。到游離小孢子時(shí)期,胼胝質(zhì)壁溶解,外壁的厚度增加,柱狀結(jié)構(gòu)和頂狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)伸長(zhǎng),花粉內(nèi)壁在雙細(xì)胞核花粉時(shí)期不斷發(fā)育,與花粉外壁合為花粉壁。最終,發(fā)育成熟的花粉壁結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次是由頂狀結(jié)構(gòu)和柱狀結(jié)構(gòu)組成的外壁外層、外壁內(nèi)層Ⅰ和Ⅱ、內(nèi)層、細(xì)胞質(zhì)膜,其中外壁外層和外壁內(nèi)層組成花粉外壁(圖1-3)(ZHANG et al.,2011)�；ǚ弁獗诘陌l(fā)育主要包括初生外壁形成、胼胝質(zhì)壁形成及孢粉素合成這三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程,研究表明孢粉素前體是在絨氈層細(xì)胞中催化合成的,而初生外壁和胼胝質(zhì)壁為孢粉素的沉積提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),因此孢粉素的合成與花粉外壁的發(fā)育乃至花粉粒的育性密不可分(ARIIZUMI and TORIYAMA,2011)。孢粉素作為組成花粉外壁的主要組成成分,其成分復(fù)雜,雖然不同物種的花粉粒外觀結(jié)構(gòu)差異很大,但是孢粉素的組成成分和合成過(guò)程在植物中高度保守,孢粉素并不是均一的大分子,而是復(fù)雜的生物聚合物,主要由長(zhǎng)鏈脂肪酸和酚類化合物等組成。目前與孢粉素合成、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)的基因已經(jīng)被克隆并對(duì)花粉壁的發(fā)育形成具有重要的影響(表1-3)。植物中已經(jīng)報(bào)道CYP703A2、CYP703A3、CYP704B2、OsC6、PDA1/OsABCG15、ABCG26(ATP-Binding Cassette Transporter G26)、PpASCL(anther-specific chalcone synthase-like enzyme)等基因是孢粉素前體合成、運(yùn)輸基因(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)。其中擬南芥ABCG26和水稻OsABCG15同樣作用于孢粉素前體從絨氈層經(jīng)花藥內(nèi)腔至花粉外壁的運(yùn)輸過(guò)程,從而影響孢粉素沉積和花粉外壁發(fā)育(QUILICHINI et al.,2010;QUILICHINI et al.,2014;ZHAO et al.,2015a)。擬南芥酰基輔酶A合成酶ACOS5參與孢粉素前體合成,LAP5、LAP6與ACOS5共表達(dá),lap5/lap6雙突變體的花藥外壁缺失,完全不育(KIM et al.,2010)。水稻的OsACOS12是ACOS5的同源基因,該基因突變會(huì)表現(xiàn)出外層孢粉缺陷,進(jìn)而導(dǎo)致水稻雄性不育的表型(LI et al.,2016)。擬南芥中MS188(MALE STERILE 188)和AMS(ABORTED MICROSPORES)兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可以形成復(fù)合體激活CYP703A2表達(dá),從而參與孢粉素前體在絨氈層中的合成(XIONG et al.,2016)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：2958694