項目名稱：    顯花植物自交不親和性分子機理

推薦單位：    中國科學院

項目簡介：    本項目屬植物分子生物學的領域

主要研究內容：

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異交而進化形成的種內生殖隔離機制。在許多植物中，SI的遺傳控制比較簡單，往往受控于由復等位基因構成的單一S-位點。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）還未被發現。本項成果首次從玄參科植物金魚草中克隆到了一個花粉S決定因子候選基因AhSLF（S-locus F-box）-S2。它編碼一個新的未知功能的F-box基因。隨后，該研究證明了AhSLF-S2具備了花粉S決定因子的遺傳學特征。把AhSLF-S2轉到自交不親和的茄科植物矮牽牛中，發現它可以把自交不親和的矮牽牛轉變成親和的，證明了AhSLF-S2確實是自交不親和的花粉S決定因子。Plant Cell發表了題為"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，首次證明了AhSLF-S2能和S-RNase及與SCF(Skp1/Cullin/F-box)蛋白降解復合體中的ASK1和CULLIN的類似分子相互作用，進而利用酵母雙雜交技術克隆了一個新的SKP1類似分子SSK1,并證明可以與SLF和Cullin及S-RNase相互作用，確認了SLF可以形成SCF復合體。進一步通過26S蛋白小體特異抑制劑和生化試驗，證明S-RNase在親和反應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鍵作用，并提出了S-RNase的降解是通過AhSLF-S2介導的泛素/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"的評論文章。 該項成果找到了基于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，解決了植物學中一個重要科學問題。

主要發現點：  1、利用生物化學和分子生物學等技術，首次證明了花粉S因子AhSLF-S2可以與相應雌性因子S-RNase發生特異性的互作，并可能通過泛素/26S蛋白小體介導S-RNase的降解，從而調控花粉的親和性，提出了基于S-RNase的自交不親和性反應的分子模型；屬于分子生物學范圍。代表性論文第5。

2、以模式植物金魚草為實驗材料，通過分子遺傳學的手段，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，進一步通過遺傳轉化技術，證明了該基因確實控制基于S-RNase的自交不親和性的花粉功能，并發現了一類新的植物特異F-box基因家族，SLF(S-Locus F-box)，發現其成員在擬南芥中發揮重要的生物學功能。屬于植物遺傳學范圍。代表性論文第4、6、9、10、2、3。

3、利用酵母雙雜交技術首次從金魚草中克隆了一個新的SKP1類似基因AhSSK1，通過生物化學等手段證明其編碼產物可以與SLF、Cullin和S-RNase相互作用形成SCF復合體，為我們提出的模型提供了進一步的證據；屬于分子生物學范圍。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家族成員的生物學功能以及自交不親和性在雜交育種中的應用奠定了重要基礎。屬于植物發育學范圍。

主要完成人：  1.   薛勇彪

主要負責項目的組織和實施，論文的寫作。以金魚草為實驗系統提出了系統解決花粉S決定因子克隆分離的技術路線，詳細提出了證明花粉S因子生物化學和分子功能的思路，提出了相關的工作模型。本人對四點發現做出了重要貢獻，工作量占本項研究工作量的百分之百。

2.   張燕生

建立了多個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建，同時提供了項目的主要技術支持，包括實驗材料的制備和實驗技術的培訓等。本人對前三點發現做出了主要貢獻，工作量占本項研究工作量的百分之百。

3.   賴釗

主要項目參加人，構建了第一個自交不親和金魚草的BAC文庫，通過候選基因克隆技術，首次分離了AhSLF-S2。本人對第一項發現做出了主要貢獻，工作量占本項工作量的百分之百。

4.   喬紅

主要項目參加人，建立了金魚草自交不親和研究的體外系統，制備了S-RNase和AhSLF-S2蛋白的抗體，通過生物化學等方法證明了AhSLF-S2與S-RNase發生相互作用，并通過遺傳轉化的方法證明了Ah-SLF-S2的遺傳學功能。本人對第二、三、四點發現做出了主要貢獻，工作量占本項研究工作量的百分之百。

5.   周君麗

主要項目參加人，構建了3個不同金魚草自交不親和品系的TAC文庫，而且每個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，發現了該基因具有花粉S決定因子的分子遺傳學特征。本人對第一點發現做出了主要貢獻，工作量占本項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.