项目名称：    显花植物自交不亲和性分子机理

推荐单位：    中国科学院

项目简介：    本项目属植物分子生物学的领域

主要研究内容：

自交不亲和性（SI）广泛存在于显花植物中，是一种避免近亲繁殖和促进异交而进化形成的种内生殖隔离机制。在许多植物中，SI的遗传控制比较简单，往往受控于由复等位基因构成的单一S-位点。已有的研究表明，在茄科、玄参科和蔷薇科的自交不亲和性植物中，控制花柱自交不亲和性的因子是S-核酸酶，但是控制花粉自交不亲和性的因子（花粉S决定基因）还未被发现。本项成果首次从玄参科植物金鱼草中克隆到了一个花粉S决定因子候选基因AhSLF（S-locus F-box）-S2。它编码一个新的未知功能的F-box基因。随后，该研究证明了AhSLF-S2具备了花粉S决定因子的遗传学特征。把AhSLF-S2转到自交不亲和的茄科植物矮牵牛中，发现它可以把自交不亲和的矮牵牛转变成亲和的，证明了AhSLF-S2确实是自交不亲和的花粉S决定因子。Plant Cell发表了题为"S-RNase and SLF determine S-haplotype-specific pollen recognition and rejection"综述文章肯定了这项工作，并指出这些工作"brings closure to the first phase of research into the molecular basis of S-RNase-based SI"。此后，该研究利用免疫共沉淀和酵母双杂交等技术，首次证明了AhSLF-S2能和S-RNase及与SCF(Skp1/Cullin/F-box)蛋白降解复合体中的ASK1和CULLIN的类似分子相互作用，进而利用酵母双杂交技术克隆了一个新的SKP1类似分子SSK1,并证明可以与SLF和Cullin及S-RNase相互作用，确认了SLF可以形成SCF复合体。进一步通过26S蛋白小体特异抑制剂和生化试验，证明S-RNase在亲和反应中可能被泛素化和降解。该研究首次证明了AhSLF-S2在自交不亲和中的关键作用，并提出了S-RNase的降解是通过AhSLF-S2介导的泛素/26S蛋白小体降解途径来完成的模型。Plant Cell为此撰写了题为"F-box proteins take centre stage"的评论文章。 该项成果找到了基于S-RNase自交不亲和性研究中近20年来悬而未决的花粉S决定因子，解决了植物学中一个重要科学问题。

主要发现点：  1、利用生物化学和分子生物学等技术，首次证明了花粉S因子AhSLF-S2可以与相应雌性因子S-RNase发生特异性的互作，并可能通过泛素/26S蛋白小体介导S-RNase的降解，从而调控花粉的亲和性，提出了基于S-RNase的自交不亲和性反应的分子模型；属于分子生物学范围。代表性论文第5。

2、以模式植物金鱼草为实验材料，通过分子遗传学的手段，首次克隆鉴定了基于S-RNase的自交不亲和性1的花粉S决定因子，AhSLF-S2基因，进一步通过遗传转化技术，证明了该基因确实控制基于S-RNase的自交不亲和性的花粉功能，并发现了一类新的植物特异F-box基因家族，SLF(S-Locus F-box)，发现其成员在拟南芥中发挥重要的生物学功能。属于植物遗传学范围。代表性论文第4、6、9、10、2、3。

3、利用酵母双杂交技术首次从金鱼草中克隆了一个新的SKP1类似基因AhSSK1，通过生物化学等手段证明其编码产物可以与SLF、Cullin和S-RNase相互作用形成SCF复合体，为我们提出的模型提供了进一步的证据；属于分子生物学范围。代表性论文第1。

4、该基因的克隆解决了多年来悬而未决的花粉S决定因子的问题，开辟了一个崭新的自交不亲和性研究方向，为研究以基于S-核酸酶的自交不亲和性和SLF家族成员的生物学功能以及自交不亲和性在杂交育种中的应用奠定了重要基础。属于植物发育学范围。

主要完成人：  1.   薛勇彪

主要负责项目的组织和实施，论文的写作。以金鱼草为实验系统提出了系统解决花粉S决定因子克隆分离的技术路线，详细提出了证明花粉S因子生物化学和分子功能的思路，提出了相关的工作模型。本人对四点发现做出了重要贡献，工作量占本项研究工作量的百分之百。

2.   张燕生

建立了多个新的金鱼草自交不亲和品系，用于大片断DNA的克隆和物理图的构建，同时提供了项目的主要技术支持，包括实验材料的制备和实验技术的培训等。本人对前三点发现做出了主要贡献，工作量占本项研究工作量的百分之百。

3.   赖钊

主要项目参加人，构建了第一个自交不亲和金鱼草的BAC文库，通过候选基因克隆技术，首次分离了AhSLF-S2。本人对第一项发现做出了主要贡献，工作量占本项工作量的百分之百。

4.   乔红

主要项目参加人，建立了金鱼草自交不亲和研究的体外系统，制备了S-RNase和AhSLF-S2蛋白的抗体，通过生物化学等方法证明了AhSLF-S2与S-RNase发生相互作用，并通过遗传转化的方法证明了Ah-SLF-S2的遗传学功能。本人对第二、三、四点发现做出了主要贡献，工作量占本项研究工作量的百分之百。

5.   周君丽

主要项目参加人，构建了3个不同金鱼草自交不亲和品系的TAC文库，而且每个文库覆盖了金鱼草基因组的6－8倍，通过同源克隆等手段，完成了AhSLF-S2等位基因的克隆，发现了该基因具有花粉S决定因子的分子遗传学特征。本人对第一点发现做出了主要贡献，工作量占本项研究工作量的百分之百。

10篇代表性论文：  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.