近日，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻所吳先軍教授團(tuán)隊(duì)克隆了調(diào)控水稻每日開花時(shí)間新基因EMF1，并解析其影響水稻漿片細(xì)胞壁發(fā)育的分子機(jī)制及其潛在應(yīng)用價(jià)值。該成果為雜交水稻不育系的開花習(xí)性改良和雜交水稻制種產(chǎn)量的提高提供了理論指導(dǎo)和基因資源。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在植物學(xué)知名期刊Plant Biotechnology Journal。
在雜交水稻產(chǎn)業(yè)中，雜交制種效率是決定雜交組合能否得到廣泛應(yīng)用的重要因素。在傳統(tǒng)的雜交水稻系統(tǒng)中，恢復(fù)系（R）是花粉供體，雄性不育系（MS）是花粉受體，只有當(dāng)雙親小花的開花時(shí)間相遇時(shí)，才能高效地生產(chǎn)雜交種子。但在大多數(shù)雜交組合，尤其是秈粳雜交組合中，MS系的平均開花時(shí)間通常要晚于R系，這極大地限制了雜交稻制種效率。
該研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)宜香1A的對(duì)應(yīng)保持系宜香1B進(jìn)行EMS誘變，篩選出一個(gè)早花突變體emf1，能夠使每日的開花時(shí)間提早約2.5小時(shí)。該突變體漿片細(xì)胞壁中的纖維素和果膠等成分含量顯著降低，漿片細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)疏松，吸水速率顯著提高，漿片膨大加快從而促使穎花開放時(shí)間提前。EMF1編碼一個(gè)DUF642蛋白，在水稻不同發(fā)育時(shí)期不同組織中均有表達(dá)，在揚(yáng)花期的花器官中表達(dá)量較高。EMF1蛋白定位于細(xì)胞壁，能夠與果膠甲基酯酶（PMEs）和葡聚糖酶（GLN2）互作從而影響漿片細(xì)胞壁中果膠和纖維素的合成。EMF1突變影響PMEs和GLN2功能，導(dǎo)致漿片細(xì)胞壁的形成受到影響，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得疏松，吸水性增強(qiáng)，從而提早水稻的開花時(shí)間。
為探討EMF1的育種利用，研究團(tuán)隊(duì)將emf1與宜香1A回交獲得宜香1A-emf1，宜香1A-emf1的開花時(shí)間比宜香1A提早約2.5小時(shí)；同時(shí)為了測(cè)試EMF1在粳稻中的應(yīng)用，在中花11中敲除了EMF1，同樣獲得了花時(shí)提前了約2小時(shí)的中花11突變株系。此外，通過對(duì)多樣性水稻種質(zhì)中EMF1的單倍型分析，發(fā)現(xiàn)在第二外顯子存在一個(gè)C到T的變異引起了氨基酸的改變，該變異在熱帶粳稻中形成了一種新的單倍型（H6），其開花時(shí)間明顯早于粳稻中的主要單倍型（H4）。并且H6等位型在熱帶粳稻中連鎖不平衡衰減速度緩慢，表明其可能在熱帶粳稻的育種過程中受到了人工的選擇。以上研究為水稻每日開花時(shí)間調(diào)控分子機(jī)制解析提供了新思路，同時(shí)展現(xiàn)了EMF1基因在雜交水稻不育系培育和制種產(chǎn)量提高中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
水稻研究所副教授徐培洲、博士研究生吳挺開和Dr.Asif Ali為論文的共同第一作者，周浩教授和吳先軍教授為論文的共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所傅向東研究員和宜賓市農(nóng)科院江青山研究員參與了此研究。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、四川省科技廳育種攻關(guān)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13860
日期：2022-06-13
在雜交水稻產(chǎn)業(yè)中，雜交制種效率是決定雜交組合能否得到廣泛應(yīng)用的重要因素。在傳統(tǒng)的雜交水稻系統(tǒng)中，恢復(fù)系（R）是花粉供體，雄性不育系（MS）是花粉受體，只有當(dāng)雙親小花的開花時(shí)間相遇時(shí)，才能高效地生產(chǎn)雜交種子。但在大多數(shù)雜交組合，尤其是秈粳雜交組合中，MS系的平均開花時(shí)間通常要晚于R系，這極大地限制了雜交稻制種效率。
該研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)宜香1A的對(duì)應(yīng)保持系宜香1B進(jìn)行EMS誘變，篩選出一個(gè)早花突變體emf1，能夠使每日的開花時(shí)間提早約2.5小時(shí)。該突變體漿片細(xì)胞壁中的纖維素和果膠等成分含量顯著降低，漿片細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)疏松，吸水速率顯著提高，漿片膨大加快從而促使穎花開放時(shí)間提前。EMF1編碼一個(gè)DUF642蛋白，在水稻不同發(fā)育時(shí)期不同組織中均有表達(dá)，在揚(yáng)花期的花器官中表達(dá)量較高。EMF1蛋白定位于細(xì)胞壁，能夠與果膠甲基酯酶（PMEs）和葡聚糖酶（GLN2）互作從而影響漿片細(xì)胞壁中果膠和纖維素的合成。EMF1突變影響PMEs和GLN2功能，導(dǎo)致漿片細(xì)胞壁的形成受到影響，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得疏松，吸水性增強(qiáng)，從而提早水稻的開花時(shí)間。
為探討EMF1的育種利用，研究團(tuán)隊(duì)將emf1與宜香1A回交獲得宜香1A-emf1，宜香1A-emf1的開花時(shí)間比宜香1A提早約2.5小時(shí)；同時(shí)為了測(cè)試EMF1在粳稻中的應(yīng)用，在中花11中敲除了EMF1，同樣獲得了花時(shí)提前了約2小時(shí)的中花11突變株系。此外，通過對(duì)多樣性水稻種質(zhì)中EMF1的單倍型分析，發(fā)現(xiàn)在第二外顯子存在一個(gè)C到T的變異引起了氨基酸的改變，該變異在熱帶粳稻中形成了一種新的單倍型（H6），其開花時(shí)間明顯早于粳稻中的主要單倍型（H4）。并且H6等位型在熱帶粳稻中連鎖不平衡衰減速度緩慢，表明其可能在熱帶粳稻的育種過程中受到了人工的選擇。以上研究為水稻每日開花時(shí)間調(diào)控分子機(jī)制解析提供了新思路，同時(shí)展現(xiàn)了EMF1基因在雜交水稻不育系培育和制種產(chǎn)量提高中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
水稻研究所副教授徐培洲、博士研究生吳挺開和Dr.Asif Ali為論文的共同第一作者，周浩教授和吳先軍教授為論文的共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所傅向東研究員和宜賓市農(nóng)科院江青山研究員參與了此研究。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、四川省科技廳育種攻關(guān)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13860
日期：2022-06-13
