科研項目學員筆記分享：水稻秈稻知識點

水稻秈稻知識點

水稻常用數據庫介紹

水稻秈粳亞(ya) 種間雜種優(you) 勢利用，及雜交種 F1 不育的分子機製

水稻常用數據庫介紹

1.RAP-db

水稻有秈粳之分，粳稻由於(yu) 其本身抗性較好，遺傳(chuan) 轉化較為(wei) 容易等優(you) 點，受到了科研人員的青睞，粳稻中的代表性品種當屬日本晴。這個(ge) 網站最初由日本人創立，並且每年都會(hui) 有更新。可以在這個(ge) 網站使用GBrowse查看基因的分布、根據基因號或簡稱查找基因的功能和序列、使用blast搜索同源基因、使用ID Converter來轉換基因號等等。最近他們(men) 更新了秈稻「Kasalath」的序列，對基因分化感興(xing) 趣的夥(huo) 伴可以去挖掘一下。

2/ MSU-RGAP

Rgap是另一個(ge) 流行的粳稻數據庫，該數據庫以日本晴為(wei) 參考基因組進行注釋。最開始由密歇根州立大學牽頭(最近他們(men) 似乎搬到了Georgia)，通過gene ID可以和RAP-db進行基因名的轉換，還可以進行go和kegg的搜索。(近幾年的水稻基因組高分文章基本上都是采用的它的命名規則)

3.秈稻注釋網站RIGW

與(yu) 粳稻相比，秈稻具有更大的種植麵積和更高的遺傳(chuan) 多樣性。因此國內(nei) 由華中農(nong) 大牽頭，對優(you) 良的秈稻品種珍山97（ZS97）和明恢63（MH63）構建了高質量的參考基因組，提供基因組學，轉錄組學，蛋白質 – 蛋白質相互作用（PPIs），代謝網絡，代謝物和計算工具等，並且還可以做CRISPR靶點的選擇。

4.整合數據庫Gramene

秈稻和水稻之間的分化不僅(jin) 嚴(yan) 重，而且在同一亞(ya) 種之間也是如此。Gramene挑出了每個(ge) 亞(ya) 種的一個(ge) 代表，作為(wei) 人們(men) 研究得更多的一個(ge) 指標。Gramene是一個(ge) 開源網站，通過比較功能基因組學整合數據資源。

這裏麵羅列了不同水稻亞(ya) 種的基因組信息，包括普通野生稻Oryza rufipogon，印度野生稻Oryza nivara，非洲栽培稻Oryza glaberrima等等。我認為(wei) 有一個(ge) 功能對做信號轉導的朋友很有幫助：它被稱為(wei) “植物反應體(ti) ”，它將連接報告基因的信號網絡，形成一個(ge) 信號網絡，如生長發育信號、次級代謝途徑、生物或非生物脅迫等。

5. 3K Rice Genome Project

由作科所領頭，對世界範圍的3000餘(yu) 份水稻進行了重測序分析，構建了世界上最大的水稻變異信息數據庫，為(wei) 水稻基因組學研究和育種應用提供了豐(feng) 富的變異資源。

Data available:https://registry.opendata.aws/3kricegenome/

SNP-Seek:https://snp-seek.irri.org

交大版本:https://cgm.sjtu.edu.cn/3kricedb/index.php

6. Rice RC

Rice RC:https://ricerc.sicau.edu.cn/

由四川農(nong) 業(ye) 大學帶領，利用nanopore、轉錄組、Hi-C等技術構建了33個(ge) 高質量的水稻基因組，並且挖掘出其中的結構變異和拷貝數變異，用來解釋作物的馴化、產(chan) 量等差異，對促進水稻育種和功能基因組學的研究具有重要的意義(yi) 。

7.R498 & ZH11

Website：https://mbkbase.org/R498/

主要收錄了秈稻R498和粳稻ZH11的基因組信息（2018年後沒有更新）

8.Rice Expression Database

Website：https://expression.ic4r.org/index

基因組所的水稻基因表達數據庫，可以查看分組織基因表達情況，及用相應數據構建的基因共表達網絡。

水稻秈粳亞(ya) 種間雜種優(you) 勢利用，及雜交種 F1 不育的分子機製

稻米是我國 13億(yi) 人口的主糧, 是關(guan) 乎國計民生的重要物質。我國的水稻育種經曆了矮化育種、 雜種優(you) 勢利用和綠色超級稻培育 3 次飛躍，其間伴隨矮化育種（第一次綠色革命）、三係雜交稻培育、二係雜交稻培育、亞(ya) 種間雜種優(you) 勢利用、理想株型育種和綠色超級稻培育等 6 個(ge) 重要曆程。

雄性不育株的發現和利用是雜交水稻的重要基礎。因此，雄性不育多樣性是保障雜交水稻種質多樣性的有效途徑，防止種質單一性而帶來的生產(chan) 風險。本專(zhuan) 題將對我國水稻雜種優(you) 勢利用、水稻細胞質雄性不育和光溫敏雄性核不育以及秈粳雜種不育的分子機製進行詳細闡述。

亞(ya) 洲栽培稻分為(wei) 秈稻和粳稻兩(liang) 個(ge) 亞(ya) 種，秈粳亞(ya) 種間的雜種優(you) 勢要遠大於(yu) 秈粳亞(ya) 種內(nei) 的優(you) 勢。但由於(yu) 自然界普遍存在的亞(ya) 種之間生殖隔離法則，秈粳稻亞(ya) 種間雜種育性下降，結實率很低。受此製約，長期以來，雜交水稻的育種工作基本限製在亞(ya) 種內(nei) 進行，亞(ya) 種之間更加強大的雜種優(you) 勢難以得到利用。

後來，科學家發現存在著能突破生殖隔離的水稻資源，被稱為(wei) 廣親(qin) 和品種。廣親(qin) 和材料的發掘以及秈粳雜種不育基因的克隆和應用是有效解決(jue) 秈粳雜種不育的根本出路。Ikehashi 和 Araki 提出廣親(qin) 和基因的遺傳(chuan) 模型，即廣親(qin) 和的 S5n 等位基因型、秈稻的 S5i  等位基因型和粳稻的 S5j  等位基因型，廣親(qin) 和的 S5n 無論是與(yu) 秈稻還是粳稻雜交均可育。

01

廣親(qin) 和基因S5的克隆

張啟發課題組2008 年在 PNAS 發表題為(wei) “A triallelic system of S5 is a major regulator of the reproductive barrier and compatibility of indica-japonica hybrids in rice”的文章，成功克隆了S5位點的5號基因。然而，僅(jin) 5號基因的作用無法解釋該位點引起雜種不育的機理。

2

S5位點影響秈粳雜種半不育分子機製的揭示

張啟發課題組2012年在 Science 發表題為(wei) “A killer-protector system regulates both hybrid sterility and segregation distortion in rice”的文章，表明3 個(ge) 緊密連鎖的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5 協同作用控製雜種不育及廣親(qin) 和現象。

原來，S5 位點有 3 個(ge) 緊密連鎖的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5，其中 ORF5 和 ORF4 分別扮演了“殺手（ killer） ”和“幫凶（ partner） ”的角色，有功能的ORF4+ORF5+ 基因一起，引起內(nei) 質網逆境，共同作用殺死配子。而 ORF3 起到了“保鏢（ protector）”的角色，對內(nei) 質網逆境有清除作用。

典型的秈稻基因型為(wei) ORF3+ORF4–ORF5+，典型的粳稻基因型為(wei) ORF3-ORF4+ORF5-，而廣親(qin) 和品種含有 ORF5n。ORF4 和 ORF5 為(wei) 孢子體(ti) 型作用方式（ORF4 和 ORF5 對所有的配子都能發揮作用），ORF3 為(wei) 配子體(ti) 型作用方式（隻對含有該基因的配子起作用）。

秈粳雜種 F1 雌配子形成過程中，由於(yu) 秈粳交產(chan) 生的雜合的ORF3+ORF3- 會(hui) 分離，秈型配子由於(yu) ORF3+ 的存在，可以為(wei) 其正常發育提供保護，而粳型配子攜帶的 ORF3- 不能有效防止ORF4+ORF5+ 的殺傷(shang) ，從(cong) 而導致敗育。因此，普通的秈粳雜種F1往往表現為(wei) 半不育，而廣親(qin) 和品種中 S5n 等位基因沒有殺配子的功能，故而與(yu) 秈、粳稻均能產(chan) 生正常可育雜種。

3

Sa 控製秈粳雜種F1雄配子不育的分子機製

劉耀光課題組2008年在 PNAS 發表題為(wei) “Hybrid male sterility in rice controlled by interaction between divergent alleles of two adjacent genes.”揭示了 Sa 控製秈粳雜種F1雄配子不育的分子機製。Sa 是一個(ge) 控製雜種雄配子不育基因座，由兩(liang) 個(ge) 緊密連鎖的基因 SaM 和 SaF 組成，分別編碼泛素修飾 E3 連接酶和 F-box 蛋白。

大多數的秈稻攜帶 SaM+SaF+基因型，粳稻攜帶SaMˉSaFˉ 基因型，SaMˉ 內(nei) 含子中一個(ge) SNP 的改變導致剪接模式的改變，從(cong) 而造成 SaMˉ 蛋白翻譯提前終止。

秈梗雜種 F1 中存在 SaM+ 的前提下，SaF+ 能與(yu) SaMˉ 互作，導致 SaMˉ 基因型花粉敗育，稱為(wei) “兩(liang) 基因/三元件”互作模型。因為(wei) SaM+ 多出一個(ge) 自我抑製結構域，阻止SaF 和SaM+互作，SaF 不能與(yu) SaM+互作。

4

Sc 控製秈粳雜種不育的分子機製

劉耀光課題組2017年在 Nature Communication 發表題為(wei) “Genomic structural variation-mediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice.”的文章，揭示了Sc座位控製秈粳雜種不育分子機製。

序列分析發現，秈稻和粳稻Sc等位基因結構發生了很大變異。

其中，粳型等位基因座Sc-j僅(jin) 包含一個(ge) 花粉發育必需基因，而秈型基因座Sc-i存在序列重組和大片段基因拷貝數重複；重複拷貝的數目越多，秈粳雜種不育程度越嚴(yan) 重。進一步研究還發現秈粳雜種F1中Sc等位基因的遺傳(chuan) 互作會(hui) 導致粳型Sc-j基因表達水平的大幅度下降，造成攜帶Sc-j的花粉選擇性敗育。

該研究揭示了一種基於(yu) 等位基因劑量效應驅動的選擇性基因沉默即稱為(wei) 等位抑製（allelic suppression）的新型雜種不育分子機製。該研究同時建立了一種高效的基於(yu) CRISPR/Cas9基因編輯技術定點刪除部分基因拷貝，以打破雜種不親(qin) 和性的技術方法。

5

S21 位點的自私基因控製秈粳雜種不育

萬(wan) 建民課題組2018年在 Science 發表題為(wei) “A selfish genetic element confers non-Mendelian inheritance in rice”的文章。該研究以亞(ya) 洲栽培稻滇粳優(you) 1號和南方野生稻為(wei) 研究材料，克隆了雜種雄性不育位點 qHMS7（S21）。

該位點也包含3個(ge) 開放閱讀框ORF1、ORF2 以及ORF3，在“祖先野生稻-普通野生稻-亞(ya) 洲栽培稻”的演化過程中，ORF1 沒有功能，但一直被保留；ORF2 是從(cong) 沒有毒性功能的單倍型逐步演變成有毒性功能的單倍型，編碼一個(ge) 毒性蛋白（核糖體(ti) 失活蛋白），對全部花粉的發育有毒害，以孢子體(ti) 方式發揮作用；而ORF3 在普通野生稻中由ORF1 複製而產(chan) 生，並在隨後的稻種馴化過程中傳(chuan) 遞到亞(ya) 洲栽培稻，編碼含線粒體(ti) 信號肽的禾本科特異蛋白。

滇粳優(you) 1 號攜帶有功能的 ORF2D ORF3D，而南方野生稻（O. meridionalis）隻攜帶一個(ge) 無功能的 ORF2N，完全缺失 ORF3。ORF2D 是一個(ge) 毒性蛋白，ORF3D 是一個(ge) 解毒蛋白，以配子體(ti) 方式發揮作用。雜合（ ORF2D ORF3D/ORF2N-） 條件下，ORF2D 蛋白能殺死不攜帶 ORF3D 基因的花粉。因此，隻有攜帶 ORF2DORF3D 基因型的花粉能遺傳(chuan) 到後代，稱為(wei) 自私基因 。

ORF3“選擇性”地保護攜帶它的花粉，確保其可育，非常“自私”。不攜帶ORF3 的花粉不能發育成正常可育花粉而敗育。普通野生稻中，約50%的材料含有ORF3，經長期演化，栽培稻中 90%以上都含有ORF3。

06

S27/S28 互作控製秈粳雜種不育

由政府設立的法律援助機構或者非政府設立的合法律所組織法律援助的律師。為(wei) 經濟困難或特殊案件的人尤其是農(nong) 村給予無償(chang) 提供法律服務的一項法律保障製度。

圖位克隆發現 S27 和S28 是重複基因，編碼線粒體(ti) 核糖體(ti) 蛋白 L27。在栽培稻台中65（Taichung 65）中，S27 有功能（T+T+）而 S28 無功能（TSTS），基因型為(wei) T+T+ |TSTS；在展穎野生稻（O. glumaepatula）中，S27 無功能（GSGS）而 S28 有功能（G+G+），基因型為(wei) GSGS |G+G+。後代中基因型為(wei) GS |TS 的花粉敗育。

參考文獻

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