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水稻是世界一半以上人口的主粮,也是禾本科研究的模式植物。随着人口的增长和耕地的减少,只有进一步提高水稻的单产才能满足人们对水稻的消费需求。亚洲栽培稻(Oryza sativa L.)由籼稻(indica rice)和粳稻(japonica rice)两个亚种组成,且亚种间杂种通常育性较低。目前我国生产上用的基本上是亚种内杂交水稻,其产量已步入平台期。要大幅度提高杂交稻产量,途径之一就是利用亚种间杂种优势。虽然亚种间杂交水稻的杂种优势比亚种内品种间杂交水稻的更强,但亚种间杂种不育妨碍了亚种间杂种优势的有效利用。广亲和品种(wide compatibility varieties, WCVs)跟籼稻和粳稻杂交的后代都是可育的,这为水稻亚种间杂种优势的利用带来了希望。S5和f5分别是控制水稻杂种雌、雄配子育性的主效QTL位点,对亚种间杂种的育性影响非常大。为了深入剖析S5和f5位点的遗传机理,我们构建了这两个位点较为全面的近等基因系(near isogenic lines, NILs):广亲和品种为供体,籼稻和粳稻为受体；籼稻为供体,粳稻和广亲和品种为受体；粳稻为供体,籼稻和广亲和品种为受体。对近等基因系的基因型分析表明,S5(粳稻或籼粳杂合背景下)和f5(粳稻背景下)位点籼粳基因型分离不符合孟德尔遗传分离比,存在极显著的偏分离。具体表现为S5和f5位点籼粳杂合的时候粳型的配子败育,籼型的存活,而广亲和品种与籼稻或粳稻之间都不存在偏分离现象。S5和f5位点的杂种不育源自粳型配子的死亡,这也导致了偏分离现象。早期的研究表明,S5位点能够控制水稻的杂种不育及广亲和性,且这一效应表现为单位点控制。本课题组先前已将S5定位到第6染色体一个40kb的区段内,该区段有5个预测的基因(ORF1～ORF5)。将籼稻南京11(含ORF5+等位基因)的ORF5转化到粳稻Balilla中导致小穗完全不育,因此当时认为ORF5就是引起S5杂种不育的基因。在本研究中,把南京11的S5片段导入Balilla的杂合近等基因系表现为小穗半不育。如果S5区段只有ORF5参与育性调控,那么把南京11的S5和ORF5导入Balilla应该导致相同的育性。ORF5+转化体(完全不育)与杂合近等基因系(半不育)之间的育性差异暗示,除了ORF5, S5区段还有其它基因参与育性调控。动物中的研究结果表明功能获得型的杂种偏分离是由至少两个遗传上紧密连锁的基因控制的,这为我们的研究提供了借鉴。如前所述,S5杂种不育呈单位点遗传模式,这说明S5杂种不育要么是单基因控制,要么是几个紧密连锁的基因控制。既然单基因(即ORF5)无法解释S5的杂种不育和偏分离现象,推测应该是几个紧密连锁的基因发挥作用。对籼稻、粳稻和广亲和品种的ORF1～ORF5进行了比较测序,发现它们之间只在ORF3、ORF4和ORF5存在功能性的序列差异。为了探索ORF3、ORF4和ORF5这几个基因的关系,把它们分别转化到粳稻Balilla或者近等基因系中。通过把转基因系和近等基因系进行一系列的杂交遗传分析,我们发现有一个杀手-护卫系统(killer-protector system)控制S5的杂种不育和偏分离。这个系统由杀手(killer)、帮凶(partner)和护卫(protector)组成,它们由三个紧密连锁的基因(ORF3-ORF5)编码。ORF5和ORF4都是孢子体型的作用方式,而ORF3则是配子体型作用方式。在籼粳杂种中,杀手(ORF5+)和帮凶(ORF4+)合伙导致无护卫的雌配子(通常是粳型配子)败育,并造成携带护卫(ORF3+)的雌配子(通常是籼型配子)优先传递(子代中就会出现偏分离)。广亲和品种由于没有杀配子的功能又能自我保护,故与籼、粳稻均能产生正常可育杂种。芯片数据表明,ORF5+和ORF4+的共同作用会导致内质网胁迫(ER stress)反应。ORF3+以阻止ER stress,从而避免雌配子死亡。只有ORF3-的情况下,持续的ER stress最终导致雌配子死亡。S5三基因的遗传多样性分析表明,祖先类型ORF3+/ORF4+/ORF5+是比例最高的单倍型。在现存纬度最高的中国东乡普通野生稻中发现了典型粳稻类型的单倍型(ORF3-/ORF4+/ORF5-),表明中国普通野生稻很可能是粳稻驯化的祖先群体(founder population)。基于目前已发表的结果,我们提出了最简单的水稻杂种不育及广亲和的偏分离模型：籼稻含有毒性因子(toxin)和解毒因子(antitoxin);粳稻含有非毒性因子(non-toxin)和非解毒因子(non-antitoxin); WCVs含有非毒性因子(non-toxin)和解毒因子(antitoxin)。这里所说的“因子”既可以由单个基因构成,也可由多个基因构成。基因组背景对偏分离的影响也不容忽视。S5i/S5j杂种在粳稻或籼粳杂合背景下有偏分离,但在籼稻背景下没有偏分离,说明S5位点的偏分离需要来自粳稻背景的增强子(enhancer)。在粳稻背景下f5i/f5j杂种有偏分离,但其在籼稻或籼粳杂合背景下都没有偏分离,说明来自籼稻的背景repressor抑制了f5的偏分离。总之,研究偏分离的时候不能把眼睛只盯着前景QTL,还应关注背景的影响。以前的研究者都认为水稻S5的广亲和性由单基因控制,而我们的研究表明“广亲和基因”实际上是三个基因组成的基因团队(gene team)。之前已发表的杂种偏分离系统都是控制雄配子的,而S5是已克隆的第一个控制雌配子的偏分离系统。其它物种的毒性因子(toxin)要么由一个单基因组成(比如黑腹果蝇),要么由几个具有加性效应(即显性等位基因越多偏分离越大)的基因组成(比如小鼠)。象S5这样由两个非加性的基因(ORF5和ORF4)组成的毒性因子(toxin)在其它物种中还未被发现。本研究从分子水平阐明了水稻S5位点杂种不育及广亲和的机理,对亚种间杂交水稻育种有重要参考价值。这些结果也有助于增加我们对栽培稻起源和分化的认识。