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一项为解决在水稻杂交稻制种中不育系的包穗问题提供了很好解决方案的研究成果,3月14日在《植物细胞》杂志在线发表。
杂交水稻的发明和大规模应用不仅解决了中国人的吃饭…
一项为解决在水稻杂交稻制种中不育系的包穗问题提供了很好解决方案的研究成果,3月14日在《植物细胞》杂志在线发表。
杂交水稻的发明和大规模应用不仅解决了中国人的吃饭问题,对世界减少饥饿也作出了卓越的贡献。杂交水稻的制种过程需要两个亲本材料——雄性不育系和恢复系,然而水稻不育系常常具有“包穗”的特性,为杂交稻制种带来很大困难。生产上往往需要在后期大量喷施“九二零”来克服杂交制种中不育系的包穗问题。然而,“九二零”的施用不仅大大增加了制种成本、降低杂交种质量,而且其效果很大程度上取决于喷施者的技术、施用时期及天气状况等。水稻最上节间特异伸长突变体eui1的发现为育种家培育杂交水稻的高位茎节伸长不育系提供了可能,也大大简化了杂交稻的商业化制种。正是eui1具有解除不育系包穗的功效,因而,也被称为杂交水稻生产中除了不育系、保持系和恢复系外的第四遗传因子。
2006年中科院遗传发育所储成才研究组和上海生科院何祖华研究组同时克隆了EUI1基因,发现EUI1编码一个细胞色素P450单加氧酶,可使具生物活性的赤霉素失活。抑制EUI1表达可提高水稻内源赤霉素含量,从而增加其株高和穗颈长,但对EUI1表达调控机理一直以来并不清楚。
中国科学院遗传发育所储成才研究组高少培博士进一步研究发现,HD-ZIP
I类转录因子家族中的HOX12作为转录激活因子,可在植物体内与EUI1启动子直接结合并促进其表达,进而调控植物内源赤霉素的代谢和穗茎伸长。HOX12表达降低的植物中EUI1基因表达量也下降,活性赤霉素含量升高并从穗中向穗上部茎节中流动,导致穗茎中活性赤霉素含量增加,穗茎节变长。该项研究得到国家自然科学基金委和科技部转基因专项的资助。

杂交水稻的发明和大规模应用不仅解决了中国人的吃饭问题,对世界减少饥饿也作出了卓越的贡献。杂交水稻的制种过程需要两个亲本材料——雄性不育系和恢复系,然而水稻不育系常常具有“包穗”(即抽穗期穗子被包裹在叶鞘内难以抽出)的特性,为杂交稻制种带来很大困难。研究表明最上部茎节内活性赤霉素水平的降低是导致不育系包穗的主要原因。生产上往往需要在后期大量喷施“九二零”来克服杂交制种中不育系的包穗问题。然而,“九二零”的施用不仅大大增加了制种成本、降低杂交种质量并导致环境污染,而且其效果还很大程度上取决于喷施者的技术、施用时期及天气状况等。1981年,Rutger等首先发现水稻最上节间特异伸长突变体eui1,随后育种家利用eui1www.3659699.com,隐性突变基因来培育杂交水稻的高位茎节伸长不育系,以便于杂交稻的商业化制种。正是eui1具有解除不育系包穗的功效,因而,也被称为杂交水稻生产中除了不育系、保持系和恢复系外的第四遗传因子。

核心提示:华南农业大学庄楚雄研究员课题组成功克隆了水稻光温敏核不育基因。2月21日《Cell
Research》在线报道了该研究成果。该论文共同第一作者是博士生周海及刘勤坚。

记者今天从湖南杂交水稻研究中心获悉,该中心与湖南桃花源农业科技股份有限公司、四川农业大学三方合作,将第三代杂交水稻育种技术与雌性不育恢复系制种模式相结合,找到杂交水稻机械化制种的新技术路径。这意味着,我国有望进入杂交水稻大规模机械化制种新时代。

2006年,中国科学院上海生命科学研究院何祖华研究组和中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组分别通过图位克隆方法同时克隆了EUI1基因
(Zhu et al., Plant Cell, 2006;Luo et al., Plant Cell Physiol,
2006)。发现EUI1编码一个细胞色素P450单加氧酶,EUI1可使具有生物活性的赤霉素GA4失活。抑制EUI1的表达可提高水稻内源GA4
含量,从而增加其株高和穗颈长,但对EUI1的表达调控机理一直以来并不清楚。

华南农业大学庄楚雄研究员课题组成功克隆了水稻光温敏核不育基因。2月21日《Cell
Research》在线报道了该研究成果。该论文共同第一作者是博士生周海及刘勤坚。

我国现有杂交稻年种植面积约1600万公顷,年约需商品杂交稻种子2.4亿公斤,种子生产面积在15万公顷左右。不过,现有技术主要为“箱式制种”,无法实现混播混收,导致对人工的严重依赖性,阻碍了这一产业的快速发展。

中科院遗传发育所植物基因组学国家重点实验室储成才研究组高少培博士通过对一个水稻显性包穗突变体ree1-D
(regulator of EUI1) 的分析研究发现,HD-ZIP
I类转录因子家族中的HOX12直接调控EUI1基因的表达,HOX12EUI1基因均在水稻幼穗尤其是花药中高表达。生化分析表明,HOX12作为转录激活因子,可以在体内与EUI1启动子区直接结合并促进其表达,进而控制植物內源GA4的代谢和穗茎伸长。在水稻中,GA4比GA1有更高的生物活性。在水稻生殖生长阶段,GA4在花药及稻穗中大量积累。而EUI1可降解GA4,维持植物正常生长。www.3659699.com遗传发育所发表水稻穗茎发育调整机制。www.3659699.com遗传发育所发表水稻穗茎发育调整机制。HOX12www.3659699.com 1干涉株系中EUI1www.3659699.com遗传发育所发表水稻穗茎发育调整机制。基因表达量下降,使GA4降解减缓,并从穗中向穗茎中流动,进而导致穗茎中GA4含量增加,穗茎节变长。

利用光温敏不育系培育的两系杂交水稻免除了保持系,在不同的光温条件下既可以作为不育系与恢复系杂交制种,又可以自身繁殖,从而简化了繁种制种程序,降低了杂交种子生产成本。更重要的是,两系杂交稻的配组较自由,选配到优良组合的机率较高。因此,两系杂交育种是我国在水稻杂种优势利用的重大突破。目前,两系杂交稻育种主要利用温敏不育系。

www.3659699.com遗传发育所发表水稻穗茎发育调整机制。该中心研究员曹孟良团队率先提出将第三代杂交水稻育种技术“联动”工程雌性不育恢复系,解决机械化制种难题的策略。经过6年攻关,团队将水稻雌性可育基因、花粉失活基因、荧光筛选标记基因等3基因表达盒导入雌性不育水稻,杂合转基因水稻进行自交结实。自交结实完成后,通过光电分选,可获得纯合雌性不育水稻,以其为恢复系,用于杂交稻机械化制种。而另一部分携带转基因的杂合种子,可继续用于雌性不育水稻繁殖。由此,有效解决了雌性不育水稻繁殖技术难题,并可实现杂交稻种子生产混播混收。“方法上利用了转基因技术‘中转’,但最终产出的是非转基因杂交稻种子。”曹孟良说。

这项研究成果为解决水稻杂交制种中不育系的包穗问题提供了很好的解决方案。相关研究成果于3月14日在Plant
Cell

杂志上在线发表(doi:10.1105/tpc.15.01021)。该项研究得到国家自然科学基金委和科技部转基因专项的资助。

“培矮64S”是由国家杂交水稻工程技术研究中心的罗孝和研究员以我国水稻育种家石明松发现的粳稻光敏不育系“农垦58S”为供体,以“培矮64”为受体,以回交选育成的籼型温敏核不育系。由于其广亲和性及良好的农艺性状,“培矮64S”已成为了推广面积最大的两系杂交稻不育系亲本。“培矮64”和多个籼型不育系虽然由“农垦58S”转育而来,但它们主要表现出温敏不育特性而非光敏不育特性。这种温敏不育性的遗传位点是否来源于“农垦58S”,粳型“农垦58S”的光敏不育性和它的籼型衍生系的温敏不育性是否由相同的基因控制,以及它们的分子调控机制有何异同等重要问题一直不清楚。

据了解,目前我国杂交水稻育种的主流技术,为袁隆平院士团队提出的第一代和第二代技术。2011年,袁隆平领衔启动了第三代杂交水稻育种技术的研究,并获得了以遗传工程雄性不育系为遗传工具的杂交水稻育种技术。该技术比前两代技术更简单易于操作。

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在国家重大基础研究计划的支持下,该课题组经多年的研究发现,“培矮64S”温敏不育性主要受第12染色体的一个主效基因座p/tms12-1控制。p/tms12-1是一个非编码RNA基因,它的原始转录本经过至少2次加工产生一个小RNA。与正常水稻品种相比,温敏不育水稻在该小RNA序列内存在一个单碱基突变。研究结果进一步表明,“农垦58S”也具有相同的该突变基因,这个单碱基突变是在籼稻产生温敏不育性和在粳稻产生光敏不育性的共同原因。在正常水稻中,野生型P/TMS12-1的表达抑制了温敏或光敏不育的发生。而温敏和光敏不育水稻中,p/tms12-1的该突变影响了小RNA的表达水平及其可能与靶基因的互作能力而产生雄性不育。该成果在水稻中率先发现了一类新的小RNA作为水稻光温敏育性转换的重要调控因子。

对此次新成果,袁隆平和专家组评价认为,成果可达到应用水稻雌性不育恢复系繁殖与制种的目标,解决了现有杂交水稻机械化制种特别是混播混收的机械化制种技术的难题,在同类研究中达到国际先进水平。

图:在生殖生长阶段,高活性的赤霉素GA4在穗中积累。EUI1www.3659699.com遗传发育所发表水稻穗茎发育调整机制。编码一个细胞色素P450单加氧酶,降解GA4。EUI1似一个开关控制着GA4从穗流向茎。HOX12直接调控EUI1表达。激活HOX12表达会提高EUI1活性,增强GA4降解。反之,降低HOX12表达会减弱EUI1活性,使GA4积累并从穗到茎流动,导致穗茎节伸长。

该项研究成果与近日报道的华中农业大学张启发研究团队对“农垦58S”该相同光敏不育基因克隆的成果代表了我国在杂交稻分子基础研究领域的重大突破,为进一步阐明光温条件控制水稻育性转换的分子机制,指导两系杂交稻育种,深入利用水稻杂种优势具有深远的意义。

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