细胞质雄性不育(Cytoplasmic Male Sterility, CMS)在植物中是一种广泛存在的现象,它的特征是在植株的生殖发育过程中雄蕊不能产生有功能的花粉,雌蕊发育正常。根据这一特征,细胞质雄性不育系被广泛用来制作杂交种子,省去了人工去雄的繁琐过程。研究表明,细胞质雄性不育是由细胞核基因和细胞质基因的不兼容而引起的,因此细胞质雄性不育也被用作研究核质互作的模型。在本研究中,以本实验室构建的不育系梅香A(MxA)和保持系梅香B (MxB)为材料,进行了蛋白质组学、miRNA的研究,以期对败育过程中细胞代谢调控、细胞质的反馈调节等细胞通路的变化有一个深入的了解,从而加深我们对于紫稻型细胞质-梅香A雄性不育机理和代谢调节的认识。此外,本研究还引入了分子动力学模拟等技术来研究水稻中蛋白质相互作用的分子机理。本研究的主要研究结果如下：1、对不育系MxA和保持系MxB的细胞学研究发现,MxA为碘败类型,DAPI染色的结果表明MxA其在小孢子发育的单核期败育。PCR分析表明,在MxA中有一个WA352的同源基因,测序显示它们只有两个碱基的差异,将其命名为ZD352。原核表达检测,ZD352蛋白可以诱导表达,并且不会致死大肠杆菌；在mRNA转录水平上,其广泛的表达于根、叶子、和幼穗中；而在蛋白质水平上则主要的在小孢子母细胞和减数分裂期细胞中累积。2、基于细胞学研究的结果,以MxA和MxB的单核期幼穗材料,对其蛋白质表达谱进行了iTRAQ定量蛋白质组学研究。结果表明,在两个材料中得到了688个蛋白的定量结果,设定MxA/MxB的蛋白质表达量>1.1或者<0.9为显著差异表达的阈值,发现有45个蛋白质发生了显著性的差异表达。在MxA中很多参与核糖体组装的蛋白质亚基发生了上调性的表达,而参与碳水化合物代谢,细胞应激反应,细胞代谢的很多蛋白则发生了下调表达。其中,有两个钙离子结合蛋白发生了下调表达。我们之前的研究表明,在不育系紫稻A的花药中游离的钙离子增加,说明钙离子在花粉败育过程中起着重要的调节作用。此外,研究还发现不育系幼穗线粒体中ROS水平更高,预示着ROS也可能参与了对细胞核基因的表达调控过程。3、已有的研究表明miRNA在植物生殖发育过程中发挥重要的调节作用。为了研究miRNA和CMS发生的关系,本研究通过高通量测序比较了不育系MxA和保持系MxB单核期幼穗miRNA的表达谱差异,结果显示有24个已知的miRNA发生了显著性差异表达,这些miRNA广泛参与了各种细胞代谢途径包括生殖发育调控、胁迫应答等,我们推测这些miRNA可能参与调控了CMS的发生。此外本研究还在幼穗中发现了miRNA编辑的现象。4、在细胞中,蛋白质常常和其它的蛋白质分子相互作用而调控各种生命活动。在本研究试图通过结构生物学借助分子动力学模拟的手段来研究水稻中Hsp90和Sgtl两个蛋白质相互识别的分子机理,分子动力学模拟和结合自由能计算表明有三对非常强有力的盐桥作用对于维系Hsp90和Sgtl的互作非常重要。此外,Sgtl的Tyr173对于Hsp90和Sgtl之间的相互作用也非常重要,它既参与到和Hsp90的疏水相互作用,同时又有氢键作用。