水稻燦粳不育基因S5的自然變異、進(jìn)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(duì)亞洲栽培稻群體的比較測(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)編碼的蛋白質(zhì)水平分別為兩個(gè)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(dǎo)致其功能喪失而被定義為“中性”類型。在本研究中，我們對(duì)S5基因?qū)?yīng)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(jì)138個(gè)水稻品系的基因組序列進(jìn)行了測(cè)序分析，涵蓋S5上游啟動(dòng)子區(qū)、編碼區(qū)及下游旁側(cè)序列4.7 kb區(qū)域。PCR擴(kuò)增比較測(cè)序的結(jié)果表明S5有19種單倍型(編碼區(qū)的自然變異)，并且可以進(jìn)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(duì)三類S5等位基因進(jìn)化

3、關(guān)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(duì)應(yīng)等位基因類型中頻率最高，且H19和H5僅在兩個(gè)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(luò)結(jié)構(gòu)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(duì)進(jìn)化選擇壓力的計(jì)算表明廣親和類的S5等位基因型受到正向選擇，推測(cè)原因是攜帶這一類型等位基因的個(gè)體在雜種中的高親和性而導(dǎo)致它們受到選擇，頻率得以上升。綜合上述結(jié)

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(shuō)明生殖隔離不僅在栽培稻的秈粳兩個(gè)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(nèi)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(lái)，這一結(jié)果也支持秈稻和粳稻

5、獨(dú)立起源的假說(shuō)。
　　 進(jìn)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(gè)特征SNP，即C819A和C1412T都是緊密關(guān)聯(lián)的。這一結(jié)果表明，兩個(gè)位點(diǎn)的同時(shí)存在對(duì)于行使其功能有關(guān)鍵作用。在己發(fā)表的利用秈型S5全長(zhǎng)基因轉(zhuǎn)化粳型受體使雌配子和小穗育性顯著下降的結(jié)果基礎(chǔ)上，我們通過(guò)構(gòu)建S5在兩個(gè)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(dòng)子驅(qū)動(dòng)，共計(jì)6種片段類型進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，考察T0與T1代單拷貝植株小穗育性。轉(zhuǎn)化

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

7、擬南芥相關(guān)育性指標(biāo)，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(bào)道的功能相符，并且作為一個(gè)新的病原抗性性狀改良基因源具有被深入利用的潛在價(jià)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(jìn)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(jìn)化中表現(xiàn)出其特有的復(fù)雜性，且S5秈類、粳類和廣親和類等位基因在種群和進(jìn)化的層面上也表現(xiàn)出相當(dāng)重要的功能，因此對(duì)該基因自