研究人员发现在水稻异倍性杂交中, MADS29高表达, 生长素基因和母体组织PCD相关基因表达上调, 淀粉合成相关基因表达下调, 导致胚乳发育异常、种子败育, 说明MADS29的高表达导致异倍性杂交种子败育, 是一种有别于二倍体水稻种子发育的新型调控方式.
目前水稻中共报道有75个MADS-box基因, MADS29属于Ⅱ型MADS-box基因中的MIKCC型. 大多数MADS-box蛋白都可与CArG-box特异性结合, 而CArG-box常出现在MADS-box蛋白靶标基因的启动子区域. MADS-box转录因子是同源异型基因, 已经被证明在花器官的发育中起着重要的调节作用, 参与ABC调控模式.
先前研究表明, MADS29在种子中转录积累. 最近研究发现, MADS29主要在水稻种子的珠心、珠心突起处以及胚珠维管束表达. 它通过维持体内激素平衡和调节母体组织细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)来影响胚乳发和籽粒灌浆.
进一步研究发现, MADS29直接与编码半胱氨酸(Cys)蛋白酶和核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复序列(nucleotide-binding site-leucine rich repeat, NBS-LRR) 蛋白基因的启动子结合, 从而影响母体组织细胞程序性死亡. Nayar等人研究发现, MADS29的生物学功能可能不仅如早期报道的那样只调控转录和翻译水平, 它还通过MADS29单体之间和MADS29与其他MADS-box蛋白相互作用在翻译后水平上起作用.
在这篇文章中，研究人员采用石蜡切片对水稻2n与4n自交及杂交种子胚乳发育进行了观察, 并通过qRT-PCR技术分析了MADS29等相关基因在2n与4n自交和杂交种子中的表达模式, 旨在探明水稻异倍性杂交种子败育与MADS29等相关基因的关系, 为水稻近缘野生种的合理利用提供依据.
具体来说，研究人员以4份水稻材料(2个二倍体; 2个四倍体)构建4个自交组合(对照)和8个杂交组合(正反交), 对花粉粒育性、花粉管萌发及伸长、种子发育及MADS29等相关基因表达进行分析.
结果表明: (1) 异倍性杂交均可正常受精, 但杂交种子败育; (2) 石蜡切片结果显示, 授粉后3 d(3 day after pollination, 3 DAP), 与对照相比, 4n×2n胚乳已进入细胞化时期, 但细胞数量较少; 而2n×4n胚乳处于合胞体时期, 游离核周围未形成细胞壁, 胚乳细胞化时期滞后; (3) 实时荧光定量PCR(qRT-PCR)表明, 6 DAP和8 DAP, MADS29、生长素基因和母体组织细胞程序化死亡(PCD)相关基因的相对表达量在杂交种子中均明显高于对照; 淀粉合成基因在杂交种子中的相对表达量显著低于对照.
这一实验结果表明, 在水稻异倍性杂交中, MADS29高表达, 生长素基因和母体组织PCD相关基因表达上调, 淀粉合成相关基因表达下调, 导致胚乳发育异常、种子败育, 说明MADS29的高表达导致异倍性杂交种子败育, 是一种有别于二倍体水稻种子发育的新型调控方式.
