項(xiàng)目名稱：    顯花植物自交不親和性分子機(jī)理

推薦單位：    中國科學(xué)院

項(xiàng)目簡介：    本項(xiàng)目屬植物分子生物學(xué)的領(lǐng)域

主要研究內(nèi)容：

自交不親和性（SI）廣泛存在于顯花植物中，是一種避免近親繁殖和促進(jìn)異交而進(jìn)化形成的種內(nèi)生殖隔離機(jī)制。在許多植物中，SI的遺傳控制比較簡單，往往受控于由復(fù)等位基因構(gòu)成的單一S-位點(diǎn)。已有的研究表明，在茄科、玄參科和薔薇科的自交不親和性植物中，控制花柱自交不親和性的因子是S-核酸酶，但是控制花粉自交不親和性的因子（花粉S決定基因）還未被發(fā)現(xiàn)。本項(xiàng)成果首次從玄參科植物金魚草中克隆到了一個(gè)花粉S決定因子候選基因AhSLF（S-locus F-box）-S2。它編碼一個(gè)新的未知功能的F-box基因。隨后，該研究證明了AhSLF-S2具備了花粉S決定因子的遺傳學(xué)特征。把AhSLF-S2轉(zhuǎn)到自交不親和的茄科植物矮牽牛中，發(fā)現(xiàn)它可以把自交不親和的矮牽牛轉(zhuǎn)變成親和的，證明了AhSLF-S2確實(shí)是自交不親和的花粉S決定因子。Plant Cell發(fā)表了題為"S-RNase and SLF determine S-haplotype-specific pollen recognition and rejection"綜述文章肯定了這項(xiàng)工作，并指出這些工作"brings closure to the first phase of research into the molecular basis of S-RNase-based SI"。此后，該研究利用免疫共沉淀和酵母雙雜交等技術(shù)，首次證明了AhSLF-S2能和S-RNase及與SCF(Skp1/Cullin/F-box)蛋白降解復(fù)合體中的ASK1和CULLIN的類似分子相互作用，進(jìn)而利用酵母雙雜交技術(shù)克隆了一個(gè)新的SKP1類似分子SSK1,并證明可以與SLF和Cullin及S-RNase相互作用，確認(rèn)了SLF可以形成SCF復(fù)合體。進(jìn)一步通過26S蛋白小體特異抑制劑和生化試驗(yàn)，證明S-RNase在親和反應(yīng)中可能被泛素化和降解。該研究首次證明了AhSLF-S2在自交不親和中的關(guān)鍵作用，并提出了S-RNase的降解是通過AhSLF-S2介導(dǎo)的泛素/26S蛋白小體降解途徑來完成的模型。Plant Cell為此撰寫了題為"F-box proteins take centre stage"的評(píng)論文章。 該項(xiàng)成果找到了基于S-RNase自交不親和性研究中近20年來懸而未決的花粉S決定因子，解決了植物學(xué)中一個(gè)重要科學(xué)問題。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1、利用生物化學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)，首次證明了花粉S因子AhSLF-S2可以與相應(yīng)雌性因子S-RNase發(fā)生特異性的互作，并可能通過泛素/26S蛋白小體介導(dǎo)S-RNase的降解，從而調(diào)控花粉的親和性，提出了基于S-RNase的自交不親和性反應(yīng)的分子模型；屬于分子生物學(xué)范圍。代表性論文第5。

2、以模式植物金魚草為實(shí)驗(yàn)材料，通過分子遺傳學(xué)的手段，首次克隆鑒定了基于S-RNase的自交不親和性1的花粉S決定因子，AhSLF-S2基因，進(jìn)一步通過遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)，證明了該基因確實(shí)控制基于S-RNase的自交不親和性的花粉功能，并發(fā)現(xiàn)了一類新的植物特異F-box基因家族，SLF(S-Locus F-box)，發(fā)現(xiàn)其成員在擬南芥中發(fā)揮重要的生物學(xué)功能。屬于植物遺傳學(xué)范圍。代表性論文第4、6、9、10、2、3。

3、利用酵母雙雜交技術(shù)首次從金魚草中克隆了一個(gè)新的SKP1類似基因AhSSK1，通過生物化學(xué)等手段證明其編碼產(chǎn)物可以與SLF、Cullin和S-RNase相互作用形成SCF復(fù)合體，為我們提出的模型提供了進(jìn)一步的證據(jù)；屬于分子生物學(xué)范圍。代表性論文第1。

4、該基因的克隆解決了多年來懸而未決的花粉S決定因子的問題，開辟了一個(gè)嶄新的自交不親和性研究方向，為研究以基于S-核酸酶的自交不親和性和SLF家族成員的生物學(xué)功能以及自交不親和性在雜交育種中的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。屬于植物發(fā)育學(xué)范圍。

主要完成人：  1.   薛勇彪

主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的組織和實(shí)施，論文的寫作。以金魚草為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提出了系統(tǒng)解決花粉S決定因子克隆分離的技術(shù)路線，詳細(xì)提出了證明花粉S因子生物化學(xué)和分子功能的思路，提出了相關(guān)的工作模型。本人對(duì)四點(diǎn)發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻(xiàn)，工作量占本項(xiàng)研究工作量的百分之百。

2.   張燕生

建立了多個(gè)新的金魚草自交不親和品系，用于大片斷DNA的克隆和物理圖的構(gòu)建，同時(shí)提供了項(xiàng)目的主要技術(shù)支持，包括實(shí)驗(yàn)材料的制備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的培訓(xùn)等。本人對(duì)前三點(diǎn)發(fā)現(xiàn)做出了主要貢獻(xiàn)，工作量占本項(xiàng)研究工作量的百分之百。

3.   賴釗

主要項(xiàng)目參加人，構(gòu)建了第一個(gè)自交不親和金魚草的BAC文庫，通過候選基因克隆技術(shù)，首次分離了AhSLF-S2。本人對(duì)第一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)做出了主要貢獻(xiàn)，工作量占本項(xiàng)工作量的百分之百。

4.   喬紅

主要項(xiàng)目參加人，建立了金魚草自交不親和研究的體外系統(tǒng)，制備了S-RNase和AhSLF-S2蛋白的抗體，通過生物化學(xué)等方法證明了AhSLF-S2與S-RNase發(fā)生相互作用，并通過遺傳轉(zhuǎn)化的方法證明了Ah-SLF-S2的遺傳學(xué)功能。本人對(duì)第二、三、四點(diǎn)發(fā)現(xiàn)做出了主要貢獻(xiàn)，工作量占本項(xiàng)研究工作量的百分之百。

5.   周君麗

主要項(xiàng)目參加人，構(gòu)建了3個(gè)不同金魚草自交不親和品系的TAC文庫，而且每個(gè)文庫覆蓋了金魚草基因組的6－8倍，通過同源克隆等手段，完成了AhSLF-S2等位基因的克隆，發(fā)現(xiàn)了該基因具有花粉S決定因子的分子遺傳學(xué)特征。本人對(duì)第一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)做出了主要貢獻(xiàn)，工作量占本項(xiàng)研究工作量的百分之百。

10篇代表性論文：  1.   An F-box gene linked to the self-incompatibility (S) locus of Antirrhinum is expressed specifically in pollen and tapetum./ Plant Mol. Biol.

2.   The F-box protein AhSLF-S2 physically interacts with S-RNases that are inhibited by the ubiquitin/26S proteasome pathway of protein degradation during compatible pollination in Antirrhinum./ Plant Cel

3.   Structural and transcriptional analysis of S locus F-box (SLF) genes in Antirrhinum./ Sex. Plant Reprod.

4.   The F-box protein AhSLF-S2 controls the pollen function of S-RNase-based self-incompatibility./ Plant Cell

5.   AhSL28, a senescence-and phosphosphate starvation-induced S-like RNase gene in Antirrhinum. /BBA

6.   Identification and evolutionary analysis of a relic S-RNase in Antirrhinum./ Sex. Plant Reprod.

7.   Genome-wide analysis of S-locus F-box -like genes in Arabidopsis thaliana./Plant Mol. Biol.

8.   Subcellular localization of the S-locus F-box protein AhSLF-S2 in pollen and pollen tubes of self-incompatible Antirrhinum./ J. Integrative Plant Biol.