籼粳杂种不育的遗传分析和候选基因鉴定

[目的]籼粳亚种间杂交F1的育性问题严重阻碍了亚种间杂种优势的利用,探究籼粳杂种不育的遗传机理,挖掘新的籼粳杂种不育调控基因,为促进籼粳杂种结实率遗传改良提供理论依据。[方法]粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki杂交后,采用单粒传法自交10代,获得包含95个株系的稳定遗传重组自交系(RIL),基于Illumina平台,对双亲和RIL进行高通量测序,在全基因组水平分析RIL中Habataki血缘的分布与比例,进而鉴定偏分离区域作为潜在的籼粳杂种不育位点。同时,剖析“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”中典型籼粳稻基因组变异数据,对群体水平进一步验证并趋近目标育性基因区域。最终通过序列比对锁定籼粳杂种不育候选基因。应用CRISPR基因编辑技术进行定点基因敲除,对目标基因进行功能验证。[结果]Habataki和Sasanishiki的杂交F1在穗数、每穗粒数和千粒重上体现出明显的杂种优势,但其结实率显著降低,I2-KI镜检发现F1花粉育性显著降低。RIL的全基因组高通量测序在第1、3、5、6、7和12染色体上检测到明显的偏分离,即该区域的基因型趋向于籼稻Habataki。通过序列比对,进一步确定已知育性基因Sc、S5和HSA1为第3、6和12染色体上偏分离区域的目标基因。应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc-Haba-3的多拷贝,成功改善了其与Sasanishiki杂交F1的花粉育性和结实率,说明该基因可独立行使功能。同时,在第1染色体的偏分离区域发现Habataki和Sasanishiki之间存在复杂的结构性变异,Sasanishiki基因组中一段24.7 kb包含4个预测基因的片段在Habataki中被一段64.8 kb包含10个预测基因的片段取代,此结构性变异可能参与籼粳杂种育性的调控。[结论]检测到多个籼粳杂种不育相关位点,应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc的多拷贝成功改善其杂种F1育性,确定其为水稻亚种间育性改良的目标基因。同时锁定了第1染色体Sd区域的目标基因。

水稻籼粳亚种间杂种优势利用的理论与实践

水稻是我国杂种优势利用最成功的作物,对世界粮食增产贡献巨大。亚洲栽培稻包含籼稻和粳稻2个亚种,籼粳亚种间的远缘杂种优势尤为突出,可作为提高水稻单产的重要途径。但是籼粳亚种间的杂种育性普遍较低,是利用远缘杂种优势的最大限制因素。本文剖析了水稻籼粳杂种不育的遗传基础,揭示了系列杂种不育位点的分子机制;在此基础上解析了广亲和基因的产生机制,这一类基因资源可作为亚种间杂交稻育种的“桥梁”,用于提高籼粳杂交稻的育性。这些理论成果促进了籼粳杂种结实率遗传改良的高效化和精准化。两系法、三系法与“籼不粳恢”、“粳不籼恢”相结合的配组模式,成为强优势籼粳亚种间杂交稻大规模生产的重要途径。培育集绿色、营养、健康性状于一体的高产优质籼粳杂交稻是未来水稻育种的重要方向之一。