利用一个核雄性不育基因构建杂交水稻雄性不育系统

利用一个核雄性不育基因构建杂交水稻雄性不育系统

　　邓兴旺院士和唐晓艳教授领衔的深圳作物分子设计研究院近日在《美国国家科学院院报》(PNAS)上发表论文<<利用一个核雄性不育基因构建杂交水稻雄性不育系统>>(Construction of a male sterility system for hybrid rice breeding and seed production using a nuclear male sterility gene)。该文描述的应该是被袁隆平院士称为“3G杂交育种技术”的“第三代”杂交育种技术。该技术克服了原来的杂交水稻技术不能充分利用育种资源、杂交种受自然条件影响的难题。
　　科学网徐旭东老师在博文《袁隆平点赞：千人学者引领水稻育种新时代》中对该研究的基础背景以及研究意义有非常好的阐述，这里就不在论述了。本文重点是对OsNP1的解读。
也许正如徐旭东老师所说为了确保完全自主知识产权，该团队从化学诱变获得雄性不育系做起。利用ems诱变籼稻“黄华占”筛选雄性不育突变体，发现一株完全雄性不育但其生长势、花的形态均正常的突变体，该突变体被命名为osnp1-1。osnp1-1的花药较小和发白，并且不产生花粉，大约87-92%的小穗的柱头外露，更重要的是，其不育性不受光照和温度影响。当与野生型黄华占回交，F 1可育，F 2 出现可育与不可育3:1的分离比。由此可见，osnp1-1是一个单隐形突变。

　　接下来就是对突变基因进行图位克隆。使用MutMap这种快速定位的方法，将候选区间锁定在10号染色体末端(21.27-22.05 Mbp)。该区间共有4个SNP, 2个位于基因间隔区，其余两个，一个位于基因LOC_Os10g39044的内含子，另一个位于基因LOC_Os10g38050第三个外显子的SNP可导致一个氨基酸替换(Gly561 (GGC) to Asp (GAC))。根据F2的基因型和表型分离比，初步确定候选基因是LOC_Os10g38050。
　　 为了进一步确定OsNP1, 进一步分析了LOC_Os10g38050基因的其他两个突变体。OSNP1-2在该基因的第三个外显子有一个T-DNA插入，OSNP1-3 也是在该基因的第三个外显子有1bp的插入。这两个突变体植株生长正常，但是花药较小、发白并且完全的雄性不育。往OSNP1-1中导入野生型的包含LOC_Os10g38050基因的基因组片段，则转基因植株具有正常的花药和可育的花粉。

　　蛋白结构域预测含有2个保守的glucose–methanol–choline oxidoreductase。该基因家族能够催化长链脂肪酸在w位的醇脱氢反应，生成二羧酸脂肪酸，在表面角质的交联中发挥作用。该基因在单子叶和双子叶中高度保守。在日本晴中有6个同源基因与OsNP1的氨基酸identity大于40%，其中一个ONI3基因在茎尖发育中能防止器官融合。进化树分析拟南芥和水稻中的相似序列，可以分成4个组。
　　OsNP1是一个花药特异表达的基因。进一步的原位杂交的表明，OsNP1在绒毡层和小孢子细胞中表达。通过大量的显微观察与分析，OsNP1调节绒毡层退化和花粉外壁形成。

　　“基于以上发现，他们将OsNP1与来自于玉米的a-淀粉酶基因、一种来自于珊瑚的红色荧光蛋白基因串联，导入先前获得的雄性不育突变株，获得转基因株。其中OsNP1可恢复雄性可育性，淀粉酶基因阻断淀粉贮藏使花粉失去活性，红色荧光蛋白则作为标记帮助种子分选。转基因杂合株经过自交，按1:1比例产生非转基因的雄性不育种子和转基因的雄性可育种子，两者可根据红色荧光进行分选。再将二者杂交繁殖，即可批量生产获得非转基因的雄性不育系。”（引自徐旭东老师博文）


　　“将这种不育系与约1200个不同种质的水稻品系进行杂交，大约有85%子一代产量超过了亲代，10%超过了当地最好的品系。以300个实验株为群体的小区实验显示，杂交一代产量超过亲代产量较高的一方17.8%到62.8%。” （引自徐旭东老师博文）