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水稻杂种劣势遗传机理研究上获进展

更新:2014年02月26日 阅读次数: 【字体:

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室林鸿宣研究组,于2月21日在Nature Communications上发表了水稻杂种劣势遗传调控机理研究的重要进展。该研究成功证明了两个遗传座位上的三个基因共同控制水稻种间杂种劣势的发生,为阐明水稻种间生殖隔离的分子遗传机理研究提供了新的线索。

物种是如何形成的被达尔文称为“万谜之谜”。生殖隔离在物种形成过程中发挥重要作用。杂种劣势是一种被科学家长期忽略、但在自然界广泛存在的重要生殖隔离形式。对杂种劣势遗传和分子机理的研究,将加深我们对生殖隔离和物种形成的理解。此外在杂交育种过程中,育种家在许多作物中都发现了杂种劣势现象,从而阻碍了我们对杂种优势的充分利用。因此,对杂种劣势的遗传和分子机理研究具有重要意义。

虽然早在半个世纪前就在水稻中发现了杂种劣势现象,但是对杂种劣势发生的分子调控机理研究目前几乎还是空白。该研究组从海南普通野生稻(Oryza rufipogon)与亚洲栽培稻品种特青(Oryza sativa)构建的染色体片段替换系中,发现了一种新的水稻种间杂种劣势。这种杂种劣势的发生受高温诱导,根茎结合部在感受温度变化中发挥重要作用。林鸿宣研究员和高继平副研究员指导博士生陈忱和陈豪等,通过近七年的工作,揭示了水稻种间杂种劣势形成的遗传调控机理。他们成功证明了野生稻杂种劣势显性座位Hwi1 上的两个基因对杂种劣势的发生是不可或缺的。25L1 和25L2 共同组成的Hwi1 座位与来自特青的显性基因Hwi2 遗传上不相容。杂种植株由于同时携带Hwi1 和Hwi2,其体内的自身免疫应答被组成性激活,影响了植株的正常生长发育,从而使绝大多数植株在进入生殖生长前发生死亡,阻碍了物种间正常的遗传交流,形成生殖隔离。25L1 和25L2 均编码膜定位的富含亮氨酸重复序列的类受体激酶(LRR-RLK),Hwi2 编码一个分泌至胞外的类subtilisin蛋白酶。推测Hwi2的酶解产物能够被25L1和25L2组成的复合体感受,激活下游防卫反应,进而诱发杂种劣势表型。Hwi1 位于LRR-RLK 组成的串联重复的基因簇中。普通野生稻可能通过基因倍增获得了25L1 和25L2,而栽培稻中则缺少这两个基因。Hwi2 也是一个类subtilisin串联重复基因簇成员。这些结果表明基因扩增是形成生殖隔离的重要分子基础。该研究是与姜里文研究组和韩斌研究组共同合作完成的。

该工作得到国家自然科学基金委、科技部和中科院等的资助。

 

推荐的英文摘要:

Nature Communications      doi:10.1038/ncomms4357

A two-locus interaction causes interspecific hybrid weakness in rice

Chen Chen,  Hao Chen,  You-Shun Lin,  Jin-Bo Shen,  Jun-Xiang Shan,  Peng Qi,  Min Shi,  Mei-Zhen Zhu,  Xue-Hui Huang,  Qi Feng,  Bin Han,  Liwen Jiang,  Ji-Ping Gao  & Hong-Xuan Lin

Reproductive barriers perform a vital role during speciation. Hybrid weakness, the poorer development of hybrids compared with their parents, hinders gene exchange between different species at the postzygotic stage. Here we show that two incompatible dominant loci (Hwi1 and Hwi2) involving three genes are likely to determine the high temperature-dependent expression of hybrid weakness in interspecific hybrids of rice. Hwi1 comprises two leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR–RLK) genes, 25L1 and 25L2, which are specific to wild rice (Oryza rufipogon) and induce hybrid weakness. Hwi2, a rare allele that is predominantly distributed in indica rice (Oryza sativa), encodes a secreted putative subtilisin-like protease. Functional analysis indicated that pyramiding of Hwi1 and Hwi2 activates the autoimmune response in the basal nodes of hybrids, interrupting root formation and then impairing shoot growth. These findings bring new insights into our understanding of reproductive isolation and may benefit rice breeding.

 

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