科研项目学员笔记分享：水稻籼稻知识点

水稻籼稻知识点

水稻常用数据库介绍

水稻籼粳亚种间杂种优势利用，及杂交种 F1 不育的分子机制

水稻常用数据库介绍

1.RAP-db

水稻有籼粳之分，粳稻由于其本身抗性较好，遗传转化较为容易等优点，受到了科研人员的青睐，粳稻中的代表性品种当属日本晴。这个网站最初由日本人创立，并且每年都会有更新。可以在这个网站使用GBrowse查看基因的分布、根据基因号或简称查找基因的功能和序列、使用blast搜索同源基因、使用ID Converter来转换基因号等等。最近他们更新了籼稻「Kasalath」的序列，对基因分化感兴趣的伙伴可以去挖掘一下。

2/ MSU-RGAP

Rgap是另一个流行的粳稻数据库，该数据库以日本晴为参考基因组进行注释。最开始由密歇根州立大学牵头(最近他们似乎搬到了Georgia)，通过gene ID可以和RAP-db进行基因名的转换，还可以进行go和kegg的搜索。(近几年的水稻基因组高分文章基本上都是采用的它的命名规则)

3.籼稻注释网站RIGW

与粳稻相比，籼稻具有更大的种植面积和更高的遗传多样性。因此国内由华中农大牵头，对优良的籼稻品种珍山97（ZS97）和明恢63（MH63）构建了高质量的参考基因组，提供基因组学，转录组学，蛋白质 – 蛋白质相互作用（PPIs），代谢网络，代谢物和计算工具等，并且还可以做CRISPR靶点的选择。

4.整合数据库Gramene

籼稻和水稻之间的分化不仅严重，而且在同一亚种之间也是如此。Gramene挑出了每个亚种的一个代表，作为人们研究得更多的一个指标。Gramene是一个开源网站，通过比较功能基因组学整合数据资源。

这里面罗列了不同水稻亚种的基因组信息，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。我认为有一个功能对做信号转导的朋友很有帮助：它被称为“植物反应体”，它将连接报告基因的信号网络，形成一个信号网络，如生长发育信号、次级代谢途径、生物或非生物胁迫等。

5. 3K Rice Genome Project

由作科所领头，对世界范围的3000余份水稻进行了重测序分析，构建了世界上最大的水稻变异信息数据库，为水稻基因组学研究和育种应用提供了丰富的变异资源。

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

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

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

6. Rice RC

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

由四川农业大学带领，利用nanopore、转录组、Hi-C等技术构建了33个高质量的水稻基因组，并且挖掘出其中的结构变异和拷贝数变异，用来解释作物的驯化、产量等差异，对促进水稻育种和功能基因组学的研究具有重要的意义。

7.R498 & ZH11

Website：http://mbkbase.org/R498/

主要收录了籼稻R498和粳稻ZH11的基因组信息（2018年后没有更新）

8.Rice Expression Database

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

基因组所的水稻基因表达数据库，可以查看分组织基因表达情况，及用相应数据构建的基因共表达网络。

水稻籼粳亚种间杂种优势利用，及杂交种 F1 不育的分子机制

稻米是我国 13亿人口的主粮, 是关乎国计民生的重要物质。我国的水稻育种经历了矮化育种、 杂种优势利用和绿色超级稻培育 3 次飞跃，其间伴随矮化育种（第一次绿色革命）、三系杂交稻培育、二系杂交稻培育、亚种间杂种优势利用、理想株型育种和绿色超级稻培育等 6 个重要历程。

雄性不育株的发现和利用是杂交水稻的重要基础。因此，雄性不育多样性是保障杂交水稻种质多样性的有效途径，防止种质单一性而带来的生产风险。本专题将对我国水稻杂种优势利用、水稻细胞质雄性不育和光温敏雄性核不育以及籼粳杂种不育的分子机制进行详细阐述。

亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种，籼粳亚种间的杂种优势要远大于籼粳亚种内的优势。但由于自然界普遍存在的亚种之间生殖隔离法则，籼粳稻亚种间杂种育性下降，结实率很低。受此制约，长期以来，杂交水稻的育种工作基本限制在亚种内进行，亚种之间更加强大的杂种优势难以得到利用。

后来，科学家发现存在着能突破生殖隔离的水稻资源，被称为广亲和品种。广亲和材料的发掘以及籼粳杂种不育基因的克隆和应用是有效解决籼粳杂种不育的根本出路。Ikehashi 和 Araki 提出广亲和基因的遗传模型，即广亲和的 S5n 等位基因型、籼稻的 S5i  等位基因型和粳稻的 S5j  等位基因型，广亲和的 S5n 无论是与籼稻还是粳稻杂交均可育。

01

广亲和基因S5的克隆

张启发课题组2008 年在 PNAS 发表题为“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位点的5号基因。然而，仅5号基因的作用无法解释该位点引起杂种不育的机理。

2

S5位点影响籼粳杂种半不育分子机制的揭示

张启发课题组2012年在 Science 发表题为“A killer-protector system regulates both hybrid sterility and segregation distortion in rice”的文章，表明3 个紧密连锁的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5 协同作用控制杂种不育及广亲和现象。

原来，S5 位点有 3 个紧密连锁的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5，其中 ORF5 和 ORF4 分别扮演了“杀手（ killer） ”和“帮凶（ partner） ”的角色，有功能的ORF4+ORF5+ 基因一起，引起内质网逆境，共同作用杀死配子。而 ORF3 起到了“保镖（ protector）”的角色，对内质网逆境有清除作用。

典型的籼稻基因型为 ORF3+ORF4–ORF5+，典型的粳稻基因型为 ORF3-ORF4+ORF5-，而广亲和品种含有 ORF5n。ORF4 和 ORF5 为孢子体型作用方式（ORF4 和 ORF5 对所有的配子都能发挥作用），ORF3 为配子体型作用方式（只对含有该基因的配子起作用）。

籼粳杂种 F1 雌配子形成过程中，由于籼粳交产生的杂合的ORF3+ORF3- 会分离，籼型配子由于ORF3+ 的存在，可以为其正常发育提供保护，而粳型配子携带的 ORF3- 不能有效防止ORF4+ORF5+ 的杀伤，从而导致败育。因此，普通的籼粳杂种F1往往表现为半不育，而广亲和品种中 S5n 等位基因没有杀配子的功能，故而与籼、粳稻均能产生正常可育杂种。

3

Sa 控制籼粳杂种F1雄配子不育的分子机制

刘耀光课题组2008年在 PNAS 发表题为“Hybrid male sterility in rice controlled by interaction between divergent alleles of two adjacent genes.”揭示了 Sa 控制籼粳杂种F1雄配子不育的分子机制。Sa 是一个控制杂种雄配子不育基因座，由两个紧密连锁的基因 SaM 和 SaF 组成，分别编码泛素修饰 E3 连接酶和 F-box 蛋白。

大多数的籼稻携带 SaM+SaF+基因型，粳稻携带SaMˉSaFˉ 基因型，SaMˉ 内含子中一个 SNP 的改变导致剪接模式的改变，从而造成 SaMˉ 蛋白翻译提前终止。

籼梗杂种 F1 中存在 SaM+ 的前提下，SaF+ 能与 SaMˉ 互作，导致 SaMˉ 基因型花粉败育，称为“两基因/三元件”互作模型。因为 SaM+ 多出一个自我抑制结构域，阻止SaF 和SaM+互作，SaF 不能与 SaM+互作。

4

Sc 控制籼粳杂种不育的分子机制

刘耀光课题组2017年在 Nature Communication 发表题为“Genomic structural variation-mediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice.”的文章，揭示了Sc座位控制籼粳杂种不育分子机制。

序列分析发现，籼稻和粳稻Sc等位基因结构发生了很大变异。

其中，粳型等位基因座Sc-j仅包含一个花粉发育必需基因，而籼型基因座Sc-i存在序列重组和大片段基因拷贝数重复；重复拷贝的数目越多，籼粳杂种不育程度越严重。进一步研究还发现籼粳杂种F1中Sc等位基因的遗传互作会导致粳型Sc-j基因表达水平的大幅度下降，造成携带Sc-j的花粉选择性败育。

该研究揭示了一种基于等位基因剂量效应驱动的选择性基因沉默即称为等位抑制（allelic suppression）的新型杂种不育分子机制。该研究同时建立了一种高效的基于CRISPR/Cas9基因编辑技术定点删除部分基因拷贝，以打破杂种不亲和性的技术方法。

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S21 位点的自私基因控制籼粳杂种不育

万建民课题组2018年在 Science 发表题为“A selfish genetic element confers non-Mendelian inheritance in rice”的文章。该研究以亚洲栽培稻滇粳优1号和南方野生稻为研究材料，克隆了杂种雄性不育位点 qHMS7（S21）。

该位点也包含3个开放阅读框ORF1、ORF2 以及ORF3，在“祖先野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的演化过程中，ORF1 没有功能，但一直被保留；ORF2 是从没有毒性功能的单倍型逐步演变成有毒性功能的单倍型，编码一个毒性蛋白（核糖体失活蛋白），对全部花粉的发育有毒害，以孢子体方式发挥作用；而ORF3 在普通野生稻中由ORF1 复制而产生，并在随后的稻种驯化过程中传递到亚洲栽培稻，编码含线粒体信号肽的禾本科特异蛋白。

滇粳优 1 号携带有功能的 ORF2D ORF3D，而南方野生稻（O. meridionalis）只携带一个无功能的 ORF2N，完全缺失 ORF3。ORF2D 是一个毒性蛋白，ORF3D 是一个解毒蛋白，以配子体方式发挥作用。杂合（ ORF2D ORF3D/ORF2N-） 条件下，ORF2D 蛋白能杀死不携带 ORF3D 基因的花粉。因此，只有携带 ORF2DORF3D 基因型的花粉能遗传到后代，称为自私基因 。

ORF3“选择性”地保护携带它的花粉，确保其可育，非常“自私”。不携带ORF3 的花粉不能发育成正常可育花粉而败育。普通野生稻中，约50%的材料含有ORF3，经长期演化，栽培稻中 90%以上都含有ORF3。

06

S27/S28 互作控制籼粳杂种不育

由政府设立的法律援助机构或者非政府设立的合法律所组织法律援助的律师。为经济困难或特殊案件的人尤其是农村给予无偿提供法律服务的一项法律保障制度。

图位克隆发现 S27 和S28 是重复基因，编码线粒体核糖体蛋白 L27。在栽培稻台中65（Taichung 65）中，S27 有功能（T+T+）而 S28 无功能（TSTS），基因型为 T+T+ |TSTS；在展颖野生稻（O. glumaepatula）中，S27 无功能（GSGS）而 S28 有功能（G+G+），基因型为 GSGS |G+G+。后代中基因型为GS |TS 的花粉败育。

参考文献

1.Sakai, H., Lee, SS., et al., Plant & Cell Physiol., 54(2):e6 (2013)

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4.Gramene 2018: unifying comparative genomics and pathway resources for plant research.Tello-Ruiz MK, Naithani S, Stein JC, Gupta P, Campbell M, Olson A, Wei S, Preece J, Geniza MJ, Jiao Y, Lee YK, Wang B, Mulvaney J, Chougule K, Elser J, Al-Bader N, Kumari S, Thomason J, Kumar V, Bolser DM, Naamati G, Tapanari E, Fonseca N, Huerta L, Iqbal H, Keays M, Munoz-Pomer Fuentes A, Tang A, Fabregat A, D'Eustachio P, Weiser J, Stein LD, Petryszak R, Papatheodorou I, Kersey PJ, Lockhart P, Taylor C, Jaiswal P, Ware D. Nucleic Acids Res

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6.Qin P, Lu H, Du H, Wang H, Chen W, Chen Z, He Q, Ou S, Zhang H, Li X, Li X, Li Y, Liao Y, Gao Q, Tu B, Yuan H, Ma B, Wang Y, Qian Y, Fan S, Li W, Wang J, He M, Yin J, Li T, Jiang N, Chen X, Liang C, Li S. Pan-genome analysis of 33 genetically diverse rice accessions reveals hidden genomic variations. Cell. 2021 Jun 24;184(13):3542-3558.e16. doi: 10.1016/j.cell.2021.04.046. Epub 2021 May 28. PMID: 34051138.

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10.Chen J, Ding J, Ouyang Y, Du H, Yang J, Cheng K, Zhao J, Qiu S, Zhang X, Yao J, Liu K, Wang L, Xu C, Li X, Xue Y, Xia M, Ji Q, Lu J, Xu M, Zhang Q. A triallelic system of S5 is a major regulator of the reproductive barrier and compatibility of indica-japonica hybrids in rice. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(32): 11436-11441.

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