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多倍体化是植物进化的主要途径之一,主要的粮食作物基本都是多倍体,它们在倍性增加的同时,产量也随之增长。然而,同源多倍体水稻由于减数分裂过程中染色体配对紊乱,易于形成多价体和落后染色体,从而导致育性低下,结实率低,抵消了其形态优势,影响其产量。本实验室利用远缘杂交和多倍体化双重优势,经过实验选育出2个具有减数分裂稳定性(Polyploid Meiosis Stability,PMeS)的多倍体水稻品系(HN2026-4X和SG99012-4X),它们减数分裂基本正常,具有较高结实率,而且与其它多倍体水稻的杂交后代也具有高结实率。而导致PMe5品系减数分裂稳定的分子机制尚不清楚,因此,需要对影响PMe5品系减数分裂稳定的基因进行筛选和分析。
本研究在基因芯片技术和生物信息学知识的基础上,结合其它物种中已经克隆和研究的影响减数分裂过程的相关基因,在水稻全基因组测序数据库中找到8个基因(OsATM,OsMEI1、OsMND1、OsPAIR1、OsPAIR2,OsPAIS1,OsPHAD21-4、OsSPO11-1)在基因芯片上显示出差异。通过设计上述8个基因的引物,分别对8个在四倍体水平上结实率不同的水稻(两个高结实率水稻:HN2026-4X、SG99012-4X,六个低结实率水稻:日本晴-4X、9311-4X、NJ11-4X、IR36-4X、秋光-4X、巴利拉-4X)及相应二倍体水稻的基因组DNA进行PCR检测,检测结果为基因组DNA水平上8个基因在8个不同结实率水稻的二倍体、四倍体间没有明显差异;后又通过Trizol法提取8个不同结实率水稻二倍体及四倍体减数分裂时期的RNA,分别设计8个基因的引物进行RT-PCR,以ACT1为正对照检测8个基因在减数分裂时期表达量上的差异。结果发现OsRAD21-4基因在高结实率多倍体水稻中表达量高,而在低结实率多倍体水稻中不表达,在正常二倍体水稻中都有表达且相互之间差异不明显;最后,使用MSP-PCR技术比较OsRSAD21-4基因在高结实的多倍体水稻HN2026-4X和低结实的多倍体水稻巴利拉-4X,以及它们相应的二倍体水稻的基因组DNA上的甲基化差异,并以日本晴-2X作为对照。在高结实率的多倍体水稻和正常二倍体水稻中没有发现OsPAD21-4基因的甲基化,而在低结实率的多倍体水稻中则检测到了甲基化的发生。这些结果暗示OsRAD21-4基因可能与多倍体水稻减数分裂稳定性的过程相关。