水稻燦粳不育基因S5的自然變異、進化模式與功能分析.pdf

1、已經(jīng)于2008年完成克隆的水稻雜種不育基因S5在對亞洲栽培稻群體的比較測序中發(fā)現(xiàn)了秈型、粳型和廣親和型三種等位基因型，其中秈型和粳型等位基因型的編碼區(qū)段之間僅存在兩個堿基的差異(從基因的5’到3’方向，秈型依次為C、C；粳型依次為A、T)。其對應編碼的蛋白質水平分別為兩個氨基酸的替換，而廣親和品種的S5等位基因型由于編碼蛋白N端的缺失導致其功能喪失而被定義為“中性”類型。在本研究中，我們對S5基因對應在亞洲栽培稻O.sativa、一年生

2、尼瓦拉野生稻O.nivara、多年生普通野生稻O.rufipogon三大類群體中共計138個水稻品系的基因組序列進行了測序分析，涵蓋S5上游啟動子區(qū)、編碼區(qū)及下游旁側序列4.7 kb區(qū)域。PCR擴增比較測序的結果表明S5有19種單倍型(編碼區(qū)的自然變異)，并且可以進一步根據(jù)秈型、粳型和廣親和型等位基因型的特征將單倍型分為三類。其中秈類和廣親和類各有8種單倍型，而粳類S5等位基因只有3種單倍型的存在。
　　 對三類S5等位基因進化

3、關系的分析表明，H19和H5分別是秈類和粳類的原始類型，這兩種單倍型在對應等位基因類型中頻率最高，且H19和H5僅在兩個特征SNP，即C819A和C1412T處有區(qū)別。H17是廣親和類的原始類型，由其在單倍型網(wǎng)絡結構所處位置可以看出該單倍型是由H19發(fā)生一次缺失突變后形成的。我們對進化選擇壓力的計算表明廣親和類的S5等位基因型受到正向選擇，推測原因是攜帶這一類型等位基因的個體在雜種中的高親和性而導致它們受到選擇，頻率得以上升。綜合上述結

4、果可以推斷出，S5秈類、粳類和廣親和類等位基因的形成出現(xiàn)在0。sativa、0.nivara和0.rufipogon的分化之前，而秈類和粳類這兩類不親和的等位基因型存在于更加原始的祖先種中，說明生殖隔離不僅在栽培稻的秈粳兩個亞種中存在，而且極有可能發(fā)生在更早的物種分化事件之前，即在未被人工馴化的野生稻群體中有可能已經(jīng)建立起生殖隔離的系統(tǒng)。同樣在這一系統(tǒng)內部，近似秈稻和近似粳稻的水稻群體在野生稻中可能已經(jīng)分化出來，這一結果也支持秈稻和粳稻

5、獨立起源的假說。
　　 進一步研究還發(fā)現(xiàn)在所用的水稻自然種群中，區(qū)分秈型和粳型的兩個特征SNP，即C819A和C1412T都是緊密關聯(lián)的。這一結果表明，兩個位點的同時存在對于行使其功能有關鍵作用。在己發(fā)表的利用秈型S5全長基因轉化粳型受體使雌配子和小穗育性顯著下降的結果基礎上，我們通過構建S5在兩個特征SNP發(fā)生重組的供體片段且分別由S5秈型和粳型啟動子驅動，共計6種片段類型進行遺傳轉化，考察T0與T1代單拷貝植株小穗育性。轉化

6、結果表明只有C819和C1412同時存在才會導致秈粳雜交后的半不育表型，C819和C1412的關聯(lián)是行使S5功能所必需的。同時我們也對無突變體支持反向遺傳學研究的S5基因進行了粳稻受體表達量抑制的轉化操作，轉化后代與秈稻母本測交后觀察是否使雜種育性得到恢復，結果真雜種陽性單株與陰性單株之間并無顯著育性差異，表明該基因不存在劑量效應。此外我們也使用S5基因以正義轉化和超量表達兩種方式轉化了擬南芥以探索其物種間的功能保守性，結果表明并未影響

7、擬南芥相關育性指標，但植株出現(xiàn)的矮化表型與該基因所編碼的天冬氨酸蛋白酶所屬家族成員在擬南芥中已報道的功能相符，并且作為一個新的病原抗性性狀改良基因源具有被深入利用的潛在價值。
　　 水稻秈粳亞種間雜種不育是一種典型的生殖隔離現(xiàn)象。生殖隔離在物種進化、分化和新物種的形成中起著十分重要的作用。水稻雜種不育基因S5在進化中表現(xiàn)出其特有的復雜性，且S5秈類、粳類和廣親和類等位基因在種群和進化的層面上也表現(xiàn)出相當重要的功能，因此對該基因自