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小穗育性是水稻高产的决定因素之一。高且稳定的小穗结实率是水稻超高产杂交水稻的重要特征。水稻半不育突变体在作物育种、遗传学、生殖生物学和分子生物学的研究中提供了很好的材料,若能用稳定的半不育突变体进行研究,阐明半不育产生的分子机制,对克服生产中遇到的半不育问题具有重要的借鉴意义。在开花植物受精过程中,花粉管在雌蕊中生长的过程就是其与雌蕊相互识别的过程,为了更好地理解花粉管和雌蕊的相互作用分子机制,需要识别和分离涉及此过程各个阶段的基因,并对其功能进行分析。作为进行光合作用的主要器官,叶片对于种子植物的生长发育十分重要。在水稻育种中,倒三叶叶片长、窄、薄、直立且适当卷曲是超高产杂交水稻的重要特征。其中,叶片适当卷曲是突破产量瓶颈的关键,因此,克隆控制卷叶基因并明确其功能具有重大的生产意义。本研究对一个新的小穗半不育突变体进行研究发现,在水稻受精过程中,OsCNGC13能够促进花粉管通道内的细胞程序性死亡而促进花粉管的生长,该结果为进一步阐明水稻生殖发育的分子机制提供了新思路。此外,对一个新的水稻卷叶突变体进行研究发现,OsZHD1在水稻形态建成尤其是泡状细胞的形成和分布中起重要作用,过表达该基因会导致植株叶片卷曲,泡状细胞数量增多且排列异常。本研究主要结果如下:1.ORF1突变是导致突变体结实率下降的主要原因。细胞学观察表明,突变体花器官形态、花粉粒发育和体外萌发均正常;而在花粉管生长和胚囊极核位置方面表现异常。遗传分析表明,该突变由单显性基因控制。通过精细定位将该基因定位在52-kb范围内。基因组测序结果表明突变体中有44-kb片段发生了倒置,两边的断口分别在ORF1和ORF3的内部,使得ORF1被截短形成NewORF1。3’RACE实验表明NewORF1与野生型ORF1相比,序列差异表现在C端。通过转基因互补发现,野生型中表达NewORF1会使植株结实率下降;在W109sss1-D中过表达ORF1,转基因植株结实率有所提高;利用Crispr技术将野生型中ORF1进行基因敲除,全部八个阳性家系植株的结实率都有不同程度的下降。2. ORF1 编码一个环核苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated channels,CNGCs)蛋白OsCNGC13,该蛋白主要通过调节花柱内细胞程序性死亡而控制小穗育性。时空表达分析发现OsCNGC13呈组成型表达模式,并在雌蕊中大量累积。水稻和烟草系统表明该蛋白亚细胞定位于细胞膜。电生理实验证明OsCNGC13是一个钙离子通道蛋白。水稻中有3个钙调蛋白且均能与OsCNGC13互作,但在水稻16个CNGC家族成员中并未发现能与OsCNGC13互作的同源蛋白。利用原子吸收能谱对开花前后雌蕊中钙离子相对含量进行分析,发现在9311花柱中钙离子明显积累,而在突变体中并无此种现象。此外,用阿新蓝染料对成熟花柱进行染色,发现突变体较野生型着色较浅且范围较小。在开花后30分钟时,能观察到9311花粉管通道中的死亡细胞,但是突变体中相应部位的细胞依旧完整。开花后两小时,能观察到9311花粉管通道中存在大量细胞间隙,但是在突变体中只有少量细胞发生了消亡。3. OsZHHD1控制水稻叶片卷曲。对反卷叶突变体进行细胞学观察发现,突变体叶片中泡状细胞增加且排列异常。遗传数据和分子实验表明,T-DNA插入使锌指同源异型盒转录因子OsZHD1过表达,从而导致水稻叶片出现反卷。OsZHD1表现为组成型表达并在发育中的叶和穗子中积累。野生型中过表达OsZHHD1发现在所得到的转基因阳性家系中,均出现了反卷叶的表型。