CN101514342A - 一种水稻细胞质雄性不育基因及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物基因工程技术领域，具体涉及一种水稻细胞质雄性不育基因及其应用。本发明提供一种从水稻的线粒体基因组克隆的野败型杂交稻的细胞质雄性不育基因、其编码的蛋白质、含有所述基因DNA序列的载体及所述载体转化的宿主细胞。本发明的不育基因可通过基因工程技术，转化各种植物培育雄性不育性系，用于杂交种子生产，培育植物不育系；也可以根据所述基因序列信息产生特异性分子标记；还可以用这些标记鉴定含有不育基因的栽培稻或野生稻，培育水稻不育系。

Description

一种水稻细胞质雄性不育基因及其应用

技术领域

本发明涉及基因工程技术领域，具体涉及分离克隆一种水稻细胞质雄性不育基因及其在植物育种中的应用。

背景技术

众所周知，通过不同品种间的异花受粉，植物可能产生在生长势、适应性、产量等方面具有优势的杂种，利用这些优势可以提高农作物的产量、质量和抗性。但水稻是一种雌雄同株的自花授粉植物，要生产杂交水稻种子，必须选育一个雄性不育的品种，让雌蕊接受来自异株的花粉。1970年，袁隆平的研究小组找到一株普通野生稻(Oryza rufipogon)的天然雄性不育株，称为“野败”。然后把野败不育株作为不育细胞质的供体，通过与栽培籼稻(O.sativa ssp.Indica)杂交和回交，将此不育细胞质转入栽培稻，进而育出杂交稻生产上所需的不育系、保持系和恢复系。利用不育系和恢复系做亲本杂交可省去除雄的操作，便于生产高纯度的杂交种子，因此有重要的生产应用价值(袁隆平.1977.中国农业科学.1：27-31，Lin，and Yuan1980.In：IRRI(eds)Innovative approaches to rice breeding.IRRI，Manila，p35-51)。

在中国，已用野败不育细胞质培育了大量的“三系”杂交稻品种。三系”杂交稻在1976年开始推广种植，到1990年前后达到高峰的1.5-1.7千万公顷，约占中国水稻种植总面积的50～55％(Cheng等，2007，Ann.Bot.，100，959-966)。至今中国的“三系”杂交水稻仍维持大致相等的种植面积，大部分仍然是野败型“三系”杂交稻。由于杂交稻的增产效果一般比常规稻高约20％以上，因此野败型杂交稻的大面积种植为中国的粮食生产作出了巨大的贡献，产生了巨大的经济和社会效益。

多种农作物如水稻、小麦、玉米、油菜等关于雄性不育性及其育性恢复性的研究已有许多报道，在生产上已大规模用于杂交种生产。不育系可分为细胞质不育基因控制的细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility，简称为CMS)和核不育基因控制的核不育(genic male sterility，简称为GMS)。从近年发展的基因学来说：细胞质雄性不育系的细胞质通常为携带不育基因的线粒体基因组，其不育基因的表达导致花粉不育；恢复系的核基因组中携带细胞质雄性不育恢复基因(restorer of fertility)，简称为恢复基因或Rf基因，其花粉正常可育，可自交结实；保持系具有正常的可育细胞质，但其核基因组不携带有恢复功能的基因，花粉正常可育，可自交结实。生产上配套应用的“三系”中，保持系和不育系具有相同的核基因组，其差别是细胞质基因组不同。由于不同类型的植物细胞质雄性不育是由不育细胞质的线粒体基因组中的特异不育基因产生，其育性的恢复需要特异的恢复基因的作用(Schnable and Wise，1998，Trends Plant Sci.3：175-180)。

水稻细胞质雄性不育有多种类型，主要是：(1)野败型(wild abortive，简称WA型)，属于孢子体不育；(2)包台(BT)型，属于配子体不育；(3)红莲(HL)型，属于配子体不育(朱英国，2000，水稻雄性不育的生物学，武汉大学出版社)。其中野败型不育系在“三系”杂交稻的应用最广泛。多个不同类型的细胞质雄性不育基因，包括水稻BT型细胞质雄性不育基因已被克隆(Hanson，and Bentolila，2004，Plant Cell 16，S154-S169；Wang et al.，2006，Plant Cell 18：676-687)。水稻野败型不育的育性恢复主要由2对主效恢复基因Rf3和Rf4控制，被分别定位在第1和第10染色体(Zhang等，1997，Theor.Appl.Genet.94：27-33；张群宇等，2002，遗传学报，29：1001-1004)。但至今，野败型细胞质雄性不育基因尚未被分子克隆。克隆野败型细胞质不育雄性基因有利于认识雄性不育及其育性恢复的分子机理，创建新型不育系，培育新型杂交品种，进一步利用杂种优势达到增产的目的。

发明内容

本发明的第一个目的是分离克隆水稻野败型不育细胞质雄性不育基因。

本发明的第二个目的是提供上述不育基因所编码的蛋白质。

本发明的第三个目的是提供上述不育基因在培育植物不育系中的应用。

本发明的第四个目的是提供上述不育基因产生的分子标记或其紧密连锁标记及其在水稻育种中的应用。

本发明采用PCR扩增水稻野败型不育系和保持系的DNA，将所有PCR产物作为探针，对水稻野败型不育系，保持系和恢复系进行RNA-blot杂交，结果发现：一个含有核糖体蛋白基因rpl5的探针检出一种野败型不育系特异的mRNA，并且发现此mRNA受1个恢复基因的负调控。

发明人构建了一个野败型不育系线粒体基因组DNA文库，用rpl5探针筛选出2个阳性克隆。将这2个克隆测序分析，发现在rpl5下游存在一个15742bp的重组区，替代了保持系线粒体基因组相应的一个16462bp的区域。该重组区由7个不同来源的DNA片段组成，其中在与rpl5相邻的位置存在一个野败型不育系特有的读码框。该读码框由3个线粒体基因组DNA片段和1个来源不明的片段组成，编码一个352氨基酸的假定蛋白，本发明将其并命名为WA352。

采用PCR技术从野败型不育系扩增WA352基因，构建植物转化表达载体，并转化正常可育的水稻品种，发现获得的T₀代转化体表现为花粉不育。将不育转化体与正常可育水稻杂交，获得的杂种中含有转基因的植株表现为花粉不育，不含转基因的植株表现为花粉育性正常。将该WA352表达载体转化双子叶植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)，其转化体也同样产生雄性不育。因此，WA352对不同植物产生雄性不育的效果，具有植物细胞质雄性不育活性。WA352基因的核苷酸序列如序列表SEQ ID NO.1所示，其CDS为(454)...(1512)，编码352个氨基酸的蛋白质，其序列如序列表SEQ IDNO.2所示。

以WA352基因序列为探针，对多种水稻不育系进行RNA-blot杂交，发现它们表达出与野败型不育系相同的转录带型。进一步用WA352特异引物从各个不育系中，利用PCR扩增出产物并将所有产物测序，发现它们具有相同的WA352序列。

应当理解，在不影响WA352蛋白活性的前提下，本领域技术人员可对SEQ ID NO：2所示的氨基酸序列进行各种取代、添加和/或缺失一个或几个氨基酸获得具有同等功能的氨基酸序列。

此外，考虑到密码子的简并性，例如可在其编码区，在不改变氨基酸序列的条件下，或在其非编码区在不影响WA352表达的条件下，对编码上述蛋白的基因序列进行修改。因此，本发明还包含对编码上述蛋白的基因序列进行的替换、添加和/或缺失一个或多个核苷酸，具有与上述编码基因具有相同功能的核苷酸序列。

本发明还包括基于所述基因的正义序列或反义序列，包括含有所述核苷酸序列或其片段的克隆载体或表达载体、含有所述载体的宿主细胞、含有所述核苷酸序列或其活性片段的转化的植物细胞以及转基因植物。

本发明提供的杂种育性基因具有重要的应用价值，可通过基因工程技术，如使用各种可控型启动子，构建WA352表达载体，转化各种植物培育雄性不育性系，用于杂交种子生产，培育植物不育系。

本发明提供的不育基因的另一个应用是可以根据所述基因序列信息产生特异性分子标记，还可以用这些标记鉴定含有不育基因的栽培稻或野生稻，培育水稻不育系。

附图说明

图1、显示正常可育水稻品种93-11的线粒体基因组区域(上部)和野败型不育系珍汕97A的线粒体基因组对应的重组区域(下部)。图中各个点或片段的数字表示在93-11的线粒体基因组的碱基位置(上部)，或对应于93-11的线粒体基因组或染色体的碱基位置(下部)。WA352下部的3条横线箭头表示mRNA。

图2、显示WA352蛋白序列。下划线表示预测的跨膜区。

图3、显示用rpl5(A)和WA352(B)为探针对各种水稻材料进行RNA-blot杂交，检测WA352的表达和恢复基因对它的调控。23A和97A为野败型不育系金23A和珍汕97A；97B和Nip为保持系珍汕97B和粳稻品种日本晴(Nipponbare)；Rf3，Rf4，和Rf3//Rf4分别为核基因组含有Rf3，Rf4和Rf3//Rf4以及线粒体基因组含有WA352的复育系ZSR1，SZR3，SZR11。所述的复育系是用不育系珍汕97A为母本，恢复系IR24为父本进行杂交，再用珍汕97A为轮回亲本回交多代选育的含有Rf3、Rf4、或Rf3//Rf4的复育材料(Zhang等，1997，Theor.Appl.Genet.94：27-33)。

图4、显示在大肠杆菌表达WA352产生致死。IPTG(isopropylβ-D-1-thiogalactopyranoside)为诱导目的基因表达的诱导剂。

图5、显示用于植物转化表达WA352的农杆菌双元载体的部分结构。

图6、显示用图4所示的载体转化水稻和拟南芥产生雄性不育。(A)为非转化水稻对照的花药和可育花粉；(B)为T₀水稻转化体的花药和不育花粉；(C)为非转化拟南芥对照的花和体外培养萌发花粉；(D)为拟南芥T₁转化体的花和体外培养不萌发花粉。

图7、显示用WA352探针进行RNA-blot杂交，检测水稻T₀不育转化体与野生型可育花粉杂交产生的杂种中，转基因的表达与雄性不育的共分离。S为不育株，F为可育株。

图8、显示用WA352为探针对各种不同来源细胞质育成的水稻不育系进行RNA-blot杂交，检测是否有与野败不育系相同的WA352表达。数字1-7分别表示不育系G46A(冈型)，星A，D62A(D型)，D702A(D型)，K18A(K型)，华A(Y型)和优-IA(印水型)。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；使用的水稻材料为生产上广泛应用的，可从育种单位(如中国水稻研究所)获得的常见水稻品种。

实施例1野败型细胞质雄性不育基因的发现及获得

可育水稻细胞质的线粒体全基因组序列已被测定(Notsu等，2002，Mol.Genet.Genomics 268，434-445；Tian等2006，Plant Physiol.140，401-410)。本发明根据此序列设计43对引物对水稻野败型不育系珍汕97A和保持系珍汕97B以及粳稻品种日本晴(Nipponbare)的DNA进行PCR扩增；将所有的PCR产物作为探针，对珍汕97A，珍汕97B以及核基因组含有恢复基因Rf3，Rf4和Rf3//Rf4且线粒体基因组含有WA352的复育系ZSR1，SZR3和SZR11进行RNA-blot杂交。所述的复育系是用珍汕97A为母本，恢复系IR24为父本进行杂交，再用珍汕97A为轮回亲本回交多代选育的含有Rf3、Rf4、或Rf3//Rf4的复育材料(Zhang等，1997，Theor.Appl.Genet.94：27-33)；并发现一个含有核糖体蛋白基因rpl5的探针检出一种野败型不育系特异的mRNA，并且发现此mRNA受恢复基因Rf4的负调控。因此将rpl5及其附近区域作为进一步分析的目标。

构建了一个野败型不育系线粒体基因组DNA文库，用rpl5探针以DNA印迹(DNA-blot)杂交筛选出2个阳性克隆。rpl5序列是以引物5’-atgtttccactccattttca-3’和5’-cttagtttccccctcatct-3’从水稻用PCR方法(94℃30s，60℃60s，72℃60s，30循环)扩增获得。将这2个克隆测序分析，发现在rpl5下游存在一个15742bp的重组区，替代了保持系线粒体基因组相应的一个16462bp的区域。该重组区由7个不同来源的DNA片段组成，其中在与rpl5相邻的位置存在一个新的读码框(图1)。该读码框由3个线粒体基因组DNA片段和1个来源不明的片段组成，编码一个352氨基酸的假定蛋白，并命名为WA352(图2)。WA352有3个预测的跨膜区。

实施例2WA352的表达调控

用rpl5和WA352为探针对珍汕97A，珍汕97B，复育系ZSR1，SZR3和SZR11进行RNA-blot杂交，检测WA352的表达及恢复基因对它的调控。WA352序列是以引物5’-tcatgaattcatgacgagagatag aatg-3’和5’-ttttgtcgacccttctctcagccatg-3’，用PCR技术(94℃30s，60℃60s，72℃60s，30循环)从珍汕97A扩增获得。结果显示，rpl5探针检测到1条mRNA，该mRNA水平在含有Rf4的复育系下调(图3)。以WA352为探针检测到3条mRNA杂交带，其中最长的一条与rpl5检测到的mRNA相同，这3种mRNA的水平在含有Rf4的复育系同样下调。用WA352为探针在保持系未检测到mRNA杂交带。

实施例3WA352基因的功能验证

用5’-tcatgaattcatgacgagagatagaatg-3’和5’-ttttgtcgacccttctctcagccatg-3’作为引物，利用PCR技术从野败型不育系扩增WA352基因，克隆到大肠杆菌表达载体pThio-hisA(Invitrogen公司)。该载体在大肠杆菌表达产生致死(图4)，表明WA352是1个具有植物细胞质雄性不育活性的毒蛋白。

用5′-ggtttcactgcaggatgacgagaga-3′和5′-gtatagatg gttacctacagcgctc-3′作为引物，采用PCR技术从珍汕97A扩增出WA352基因片段，构建植物转化表达载体(图5)。

用农杆菌介导法(Hiei等，1994，Plant J.6，271-282)转化正常可育水稻品种中花11，获得的28个T₀代转化体中，18个表现为花粉全不育，9个为部分不育(表1，图6)。将不育转化体与中花11杂交，获得的杂种中含有转基因的植株表现为花粉不育，不含转基因的植株表现为花粉育性正常(图7)。

表1.WA352水稻转化体的育性分析

注：CS，PS，和FF分别指完全不育，部分不育，和可育。

将该WA352表达载体转化拟南芥，其转化体同样产生雄性不育(图6)。

因此，WA352对不同植物都产生雄性不育的效果，具有植物细胞质雄性不育活性。

实施例4从其它类型的水稻细胞质雄性不育系检测WA352基因

除了典型的野败型不育系，育种家们以不同的野生稻和籼稻材料为细胞质供体与栽培稻杂交和回交，育成多个孢子体不育类型的不育系，并命名为各种类型的不育系(朱英国，2000，水稻雄性不育的生物学，武汉大学出版社)，如冈型(Gambiaca)，印水型(ID)，D型(Dissi)，K型，Y型等。本发明以引物5’-tcatgaattcatgacgagagatagaatg-3’和5’-ttttgtcgacccttctctcagccatg-3’用PCR技术扩增获得的WA352基因序列为探针，对水稻不育系G46A(冈型)，星A，D62A(D型)，D702A(D型)，K18A(K型)，华A(Y型)，和优-IA(印水型)进行RNA-blot杂交，发现它们表达出与野败型不育系相同的转录带型(图7)。进一步用所述引物从各个不育系中，利用PCR扩增出产物并将所有产物测序，发现它们具有SEQ ID NO：1或SEQ ID NO：2所示相同的序列。因此，这些不育系与典型的野败型不育系实际上含有相同起源的不育基因WA352。

实施例5：从野生稻和栽培稻检测WA352基因

使用5’-tcatgaattcatgacgagagatagaatg-3’和5’-ttttg tcga ccttctctcagccatg-3’作为引物，采用PCR技术从野生稻和栽培稻扩增WA352基因片段。实验结果发现：132份普通野生稻材料中有3份含有WA352基因；174份籼稻材料中有3份含有WA352基因。

序列表

<110>华南农业大学

<120>一种水稻细胞质雄性不育基因及其应用

<130>

<150>200810112858.1

<151>2008-05-26

<160>2

<170>PatentIn version 3.5

<210>1

<211>1800

<212>DNA

<213>稻属水稻品系珍汕97A

<220>

<221>CDS

<222>(454)..(1512)

<400>1

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Ile Ile Arg Lys Met Ala Gly Leu His Pro Ser Gly Asp Trp Met Gly

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            315                 320                 325

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ccaaaaaatg agattcttgc cgaat                                          1800

<210>2

<211>352

<212>PRT

<213>稻属水稻品系珍汕97A

<400>2

Met Thr Arg Asp Arg Met Arg Gln Ser Ile Lys Gly Arg Ala Leu Cys

1               5                   10                  15

Arg Ala Phe Ser Ser Arg Ser Ala Gly Gly Val Ile Phe Lys Val Val

            20                  25                  30

Leu Lys Ser Leu Gln Glu Arg Lys Lys Arg Ile Ser Ser Glu Ile Ser

        35                  40                  45

Ser Thr Ile Tyr Phe Tyr Met Leu Cys Ile Pro Tyr Leu Ile Phe Phe

    50                  55                  60

Leu Lys Ile Ser Ile Leu Val Phe Leu Val Phe Tyr Arg Ile Val Leu

65                  70                  75                  80

Pro Ile Val Gln Met Phe Ser Leu Leu Thr Cys Cys Ser Phe Leu Ile

                85                  90                  95

Leu Ile Leu Leu Phe Cys Leu Ile Leu Thr Cys Leu Ile Leu Phe Arg

            100                 105                 110

Leu Lys Lys Lys Glu Asp Phe Ala Ser Pro Pro Glu Ser Ile Ile Ser

        115                 120                 125

Ile Phe Ser Ser Ile Phe Ala Ile Leu Met Ala Val Leu Ala Ser Gly

    130                 135                 140

Pro Ser Val Ala Tyr Ala Met Glu Asn Pro Gly Pro Ser Glu Ala Gly

145                 150                 155                 160

Pro Glu Gly Ser Ala Ala Pro Pro Ser Ser Ser Phe Gln Glu Ser Thr

                165                 170                 175

Gly Glu Met Asp Ala Leu Met Ala Ser Thr Thr Pro Ser Ala Pro Arg

            180                 185                 190

Thr Pro Ser Gly Gly Glu Pro Ser Val Asn Gln Pro Leu Pro Gly Glu

        195                 200                 205

Gln Ala Met Pro Pro Ala Leu Pro Val Met Gln Glu Ala Ala Asn Arg

    210                 215                 220

Ser Pro Pro Tyr Ala Pro Tyr Pro Tyr Pro Val Asp Glu Ile Ile Gly

225                 230                 235                 240

Gly Asp Ser Val Gln Ser Ile Gln Arg Arg Leu Leu Gly Thr Asn Trp

                245                 250                 255

Asn Pro Ser Ala His Asp Met Gln Met Ser Arg Ile Gln Ala Glu Asp

            260                 265                 270

Leu Phe Glu Leu Lys Val Glu Ile Ile Arg Lys Met Ala Gly Leu His

        275                 280                 285

Pro Ser Gly Asp Trp Met Gly Trp Gly Ala Arg Ala Leu Asp Asn Pro

    290                 295                 300

Arg Thr Ala Thr Gly Glu Glu Asp Leu Ala Arg Leu His Gln Met Leu

305                 310                 315                 320

Asp Asp Leu Gln Ser Arg Asn Glu Gln Ser Ala Thr Phe Trp Arg Leu

                325                 330                 335

Val Glu Arg Val Arg Leu Arg Ala Asp Glu Asp Gln Asn Ser Ala Ser

            340                 345                 350

Claims (9)

1、一种植物细胞质雄性不育基因，其编码一种具有植物细胞质雄性不育活性的蛋白，该蛋白序列为SEQ ID NO：2；或编码具有同等功能的由序列SEQ ID NO：2经过取代、缺失或添加一个或几个氨基酸衍生的蛋白质蛋白序列。

2、如权利要求1所述的基因，其具有SEQ ID NO：1所示的核苷酸序列。

3、一种含有权利要求1或2所述基因的表达载体。

4、一种由权利要求3所述载体转化的宿主细胞。

5、权利要求1或2所述基因或权利要求3所述载体在植物育种中的应用。

6、如权利要求5所述的应用，其特征在于所述植物为水稻。

7、如权利要求5或6所述的应用，其特征在于：1)将权利要求1或2所述基因或权利要求3所述载体转化植物获得转基因植物不育系；或利用1)获得的转基因不育系作为亲本杂交。

8、根据权利要求1或2所述基因产生的分子标记。

9、权利要求8所述分子标记在水稻育种中的应用。

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