武香S是一种新型水稻两系无花粉型的光温敏核不育系,本实验室前期对其不育位点检测研究,发现主要是由温敏不育基因tms5所控制。本研究以武香S(Wuxiang S,WXS)为材料,首先对其进行细胞学观察以及光温处理后的表型形态观察;然后,从多个层面对武香S的育性转换机制进行了初步的探讨,主要集中在开放染色质构象、组蛋白修饰以及全基因组差异表达基因的研究,同时对筛选出来的关键转录因子进行了分子细胞实验验证。本研究的主要结果如下:1、在减数分裂时期和单核期,对武香S的可育系(WXS-F)和不育系(WXS-S)幼穗进行全基因组组蛋白修饰的分析研究。结果表明,组蛋白H3K9ac和H3K4me2修饰水平在可育系中高于不育系。H3K9ac主要富集在活跃表达的基因的转录起始位点处,而H3K4me2不仅可以出现在活跃表达基因的转录起始位点和转录延伸处,也可出现在不活跃表达基因处。分析表明H3K4me2在基因上的分布情况能更好地反映出基因内开放染色质区域的存在和活性,即开放染色质处具有H3K4me2修饰的潜在活性基因可以更加容易通过结合转录因子来激活基因的表达。2、本研究将处于减数分裂期和单核期两个不同时期的WXS-F和WXS-S样品的全基因组转录水平进行了两两比对。总共获得7,870个显著差异表达基因,更多的基因在WXS-F中具有较高的表达水平。根据全部显著差异表达基因的表达模式,利用k-mean进行聚类,得到6个聚类群,通过GO注释分析可知,在WXS-S中高表达的基因主要参与了一些基础的细胞生长发育活动来确保植株的正常生长发育;而在WXS-F中高表达的基因主要富集在转录因子活性、碳水化合物代谢途径、细胞壁和应激反应。其中差异表达基因的KEGG分析结果也揭示了它们主要参与酚类代谢物的富集,如苯丙基生物合成和苯基丙氨酸代谢,是孢子花粉素化学成分的一部分,而孢子花粉素则是小孢子和花粉的外壁的主要成分。统计6个聚类群中的差异表达转录因子,发现了属于46个转录因子家族的687个转录因子,大多数都被研究证明参与了花粉的发育以及细胞壁生成的生物学过程。所以在武香S育性转换过程中,参与花粉细胞壁合成的各种关键元素大多发生了改变,推测是相关的转录因子通过调控这些关键元素的表达水平,从而调控了育性的转换。3、利用ATAC-seq研究WXS-F和WXS-S之间染色质开放区域的分布情况,共得到了 59,787个转座酶Tn5高敏感位点,其在基因组上的覆盖长度大约为40Mb,占全基因组基因内和基因间长度的10%左右,主要富集在基因的启动子区域。同时,在开放染色质主要富集区域,基因表达越活跃染色质开放水平越高。通过差异开放染色质区域识别潜在的顺式作用元件以及与其结合的潜在转录因子,并和差异表达基因相结合时,我们发现了很多在育性转换过程中的关键的差异表达转录因子,这些转录因子对于靶标基因的调控可能是激活或是抑制。比如,WXS-S很多特异开放染色质区域处的靶标基因主要都是被抑制的,而当环境温度发生改变时,这些靶标基因很可能会被激活或是不被抑制来响应温度的变化。将这些基因进行GO注释分析,其主要富集在应激环境变化的条目下,更能表明WXS-F在经历温度变化的情况下会激活温度响应机制去重建体内平衡以及保护花药的正常发育。4、在WXS-F和WXS-S中,tms5基因均保持了其突变状态,产生了缺陷型的RNaseZS1蛋白,而UbL40在WXS-S中的表达量远远高于WXS-F中的。实验证明转录因子ERF65和GATA10都会直接结合到UbL40的启动子处,并调控UbL40 mRNA的表达;转录因子ERF65可能是抑制UbL40的转录水平,而转录因子GATA10可能作为一个中介因子来协调其他转录因子和染色质重塑复合物来影响UbL40的表达。除此之外,我们还发现转录因子ERF/GATA复合体结合其他的转录因子可以直接或间接地影响各种代谢路径相关的基因,初步构建了育性转换过程中的基因调控网络,以协调植物的生长发育与正常的花药发育。本研究,将ATAC-seq技术成功运用到光温敏两系杂交水稻的研究中,获得了 WXS-F和WXS-S的开放染色质区域。通过差异的开放染色质区域分析,进一步得出了一些参与育性转换调控途径的关键转录因子。其中ERF65/GATA10转录因子复合体是一个关键的成分来直接影响下游UbL40 mRNA的表达水平,这部分解释了 UbL40 mRNA表达水平在高温条件下会过度积累的原因,也完善了 UbL40 mRNA直接调控雄性不育的调控机制,为后续进一步的转录因子功能验证奠定了基础。本研究较系统地阐明温度波动下表观遗传调控对幼穗育性转换过程中的重要意义,并进一步完善我们对光温敏不育系水稻育性转换过程复杂的基因表达调控网络的认识。