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水稻是最重要的粮食作物之一,育性是决定水稻产量的关键因素,雄性不育资源也是水稻杂种优势利用的重要材料。因此,在模式植物水稻中克隆雄性不育基因,研究其调控机理具有重大的理论和应用价值。植物正常的雄性育性受控于配子体组织和孢子体组织的协调发育,其中脂类物质代谢起着至关重要的作用。GDSL脂肪酶是一类具有Gly-Asp-Ser-Leu基序的酶,尽管GDSL脂肪酶已被公认为是植物发育和逆境反应中的关键酶,但它们在生殖发育中的功能仍不清楚。本研究针对一个新的水稻雄性不育突变体rms2开展了表型观察、基因克隆、转录调控等工作,获得如下研究结果:
1.突变体rms2营养生长时期表型正常,农艺性状如株高、分蘖数、穗长、穗粒数等与野生型9311无明显差异。生殖发育时期,rms2雌配子育性正常,但花药短小、发白,花粉完全败育,无法结实,且不育的特征不受环境影响。
2.细胞学观察显示rms2花药壁组织的绒毡层和中间层不降解,角质层和乌氏体形成滞后,花粉外壁的外壁内层不连续,小孢子的中央液泡发育缺陷。
3.利用rms2与明恢63构建的F2群体进行图位克隆,将RMS2定位于2号染色体短臂。对40kb定位区间的基因组进行测序比对发现突变体rms2在LOC_Os02g18870的第三个外显子上出现了TTGT到A的突变,导致氨基酸缺失和替换。LOC_Os02g18870编码一个GDSL脂肪酶,具有典型的GDSL基序,属于SGNH水解酶亚家族,该基因的功能尚未被报道过。等位基因突变体表型与rms2一致,而遗传互补可将rms2育性回复正常,表明LOC_Os02g18870为RMS2基因。
4.RMS2主要在早期花药发育过程中转录,在绒毡层和小孢子中表达,而在其他组织中的转录水平较低。RMS2蛋白定位于细胞内质网中。
5.RMS2对通用底物p-nitrophenyl butyrate具有水解酶活性,rms2中酶活性显著降低。代谢组分析显示,RMS2突变导致16种脂质成分和其他代谢物的含量发生了显著变化,表明RMS2可以通过调控花药中的脂质代谢控制花粉育性。
6.水稻雄性育性关键调控因子UDT1和PTC1分别为bHLH和PHD-finger转录因子。ChIP、EMSA和荧光素酶激活实验结果表明它们可以与RMS2启动子上含E-box顺式结构的区域结合,并能在原生质体中激活RMS2的转录。另外RMS2在udt1、ptc1突变体幼穗中的转录水平相比野生型明显下降,表明RMS2可能是水稻雄性育性调控网络的关键节点。
本研究克隆了一个调控雄性育性的GDSL脂肪酶基因RMS2,其通过调控花药中的脂质代谢,影响花药壁、花粉壁的发育过程和液泡形态变化,从而决定花粉育性。为GDSL酶家族在植物生殖发育中的功能提供了新的思路,并为杂交水稻育种提供了潜在的不育基因资源。
1.突变体rms2营养生长时期表型正常,农艺性状如株高、分蘖数、穗长、穗粒数等与野生型9311无明显差异。生殖发育时期,rms2雌配子育性正常,但花药短小、发白,花粉完全败育,无法结实,且不育的特征不受环境影响。
2.细胞学观察显示rms2花药壁组织的绒毡层和中间层不降解,角质层和乌氏体形成滞后,花粉外壁的外壁内层不连续,小孢子的中央液泡发育缺陷。
3.利用rms2与明恢63构建的F2群体进行图位克隆,将RMS2定位于2号染色体短臂。对40kb定位区间的基因组进行测序比对发现突变体rms2在LOC_Os02g18870的第三个外显子上出现了TTGT到A的突变,导致氨基酸缺失和替换。LOC_Os02g18870编码一个GDSL脂肪酶,具有典型的GDSL基序,属于SGNH水解酶亚家族,该基因的功能尚未被报道过。等位基因突变体表型与rms2一致,而遗传互补可将rms2育性回复正常,表明LOC_Os02g18870为RMS2基因。
4.RMS2主要在早期花药发育过程中转录,在绒毡层和小孢子中表达,而在其他组织中的转录水平较低。RMS2蛋白定位于细胞内质网中。
5.RMS2对通用底物p-nitrophenyl butyrate具有水解酶活性,rms2中酶活性显著降低。代谢组分析显示,RMS2突变导致16种脂质成分和其他代谢物的含量发生了显著变化,表明RMS2可以通过调控花药中的脂质代谢控制花粉育性。
6.水稻雄性育性关键调控因子UDT1和PTC1分别为bHLH和PHD-finger转录因子。ChIP、EMSA和荧光素酶激活实验结果表明它们可以与RMS2启动子上含E-box顺式结构的区域结合,并能在原生质体中激活RMS2的转录。另外RMS2在udt1、ptc1突变体幼穗中的转录水平相比野生型明显下降,表明RMS2可能是水稻雄性育性调控网络的关键节点。
本研究克隆了一个调控雄性育性的GDSL脂肪酶基因RMS2,其通过调控花药中的脂质代谢,影响花药壁、花粉壁的发育过程和液泡形态变化,从而决定花粉育性。为GDSL酶家族在植物生殖发育中的功能提供了新的思路,并为杂交水稻育种提供了潜在的不育基因资源。