摘要: 两系杂交稻作为水稻杂种优势利用的主要途径之一，是保障我国粮食安全的关键技术，它的成功应用主要得益于光温敏雄性核不育材料的研究与开发。因此，寻找更多来源不同的光温敏不育材料，深入挖掘其不育的分子机理，对揭示环境因子与水稻育性发育的调... 展开 两系杂交稻作为水稻杂种优势利用的主要途径之一，是保障我国粮食安全的关键技术，它的成功应用主要得益于光温敏雄性核不育材料的研究与开发。因此，寻找更多来源不同的光温敏不育材料，深入挖掘其不育的分子机理，对揭示环境因子与水稻育性发育的调控机制和指导杂交育种工作具有重要意义。Sa是控制籼粳杂种雄性不育的复合座位，包含2个紧密相邻的互作基因SaF和SaM。本研究在粳稻台中65(T65，含有无功能基因型SaF-SaM-)及其籼型Sa近等基因系E4(含有功能型基因型SaF+SaM+)的杂交后代重组体中，发现一个温敏不育材料TMS13，并通过遗传学、细胞学、生化与分子生物学等技术手段揭示一个位于SaF+基因5'UTR区的顺式元件Cis17调节Sa复合座位介导的温敏不育分子机制，主要研究结果如下： 1)本研究在T65×E4杂交后代重组群体中鉴定了一个温敏不育材料TMS13。在高温条件下，TMS13花药瘦小发白，无花粉，小穗全不育；在低温条件下，TMS13部分花药呈淡黄色，产生少量成熟花粉，小穗有少量结实。 2)利用温度梯度处理实验证实，TMS13的育性转换温度处于23℃~24℃之间，即低于23℃表现为部分花粉可育，高于24℃表现为无花粉型不育。 3)通过半薄切片和TUNEL实验分析花药绒毡层细胞的程序性死亡(Programmed cell death，PCD)，发现TMS13绒毡层的延迟降解导致小孢子发育异常，最终表现为无花粉不育表型。 4)利用图位克隆技术确定位于Sa复合座位的SaF+基因5'UTR区的顺式元件Cis17是TMS13产生温敏不育特性的关键区段。TMS13的SaF+的启动子被缺失Cis17顺式元件的粳型SaF-启动子重组代替，该重组型SaF+ΔCis17R基因会在高温下高表达引起雄性不育，但缺失顺式元件Cis17的无功能型SaF-则无此表型。 5)通过基因编辑技术，发现在E4背景敲除顺式元件Cis17的杂合敲除体育性下降；在TMS13背景敲除SaF+ΔCis17R能够恢复育性。 6)通过表达分析发现，SaF表达量在缺失Cis17的遗传材料(T65、TMS13)中显著高于含有Cis17的遗传材料(E4)，尤其SaF的表达量在减数分裂时期受高温诱导。 7)在E4背景过量表达SaF+(SaF+-OX-E4)和在T65背景同时过量表达SaF+和SaM+(SaF+-SaM+-OX-T65)均为无花粉不育表型。而TMS13敲除系SaM-KO和SaF-SaM-KO花粉表型恢复为全可育。 8)通过元件分析，发现Cis17中包含DRE和GCC-box顺式作用元件，通过酵母单杂交实验鉴定到结合Cis17的候选转录抑制因子OsDREB6。 以上结果表明，高温促进TMS13中SaF+ΔCis17R的表达，其与SaM+协同介导TMS13温敏不育。由此本研究提出顺式元件Cis17可能通过募集OsDREB6抑制SaF+的温敏表达而介导水稻温敏不育的分子基础。在E4中，SaF+的高温诱导表达受到Cis17抑制，不产生不育信号，花药发育正常。T65中不携带功能型SaF+和SaM+，不产生不育信号，植株全可育。TMS13中由于Cis17缺失，SaF+的表达量不受Cis17的抑制，受高温诱导表达的高水平SaF+与SaM+互作形成强功能的杀手系统，在孢子体花药产生强不育信号抑制花药发育；低温条件下，SaF+表达水平降低，SaF+与SaM+形成弱功能的杀手系统产生弱不育信号，因此TMS13育性得以部分恢复，表现为部分花粉可育。 本研究围绕TMS13的温敏特性和分子机制展开研究，首次解析了杂种不育与温敏不育的关系，为探究水稻杂种不育与温敏不育的协同关系提供新视角和遗传材料；克隆了杂种不育Sa座位中的温敏不育因子并成功破解了其介导的高温不育，低温可育的分子机制，进一步加深了对温敏不育机制的认知，为杂种优势利用提供新的可能。 收起