水稻不仅是模式植物，也是重要的粮食作物，世界上一半的人口以大米为主食。水稻的小花发育与产量有密切的关系。水稻的小花，除了生殖器官雄蕊和心皮比较保守外，其他花器官的结构与双子叶模式植物拟南芥的相比有明显的不同。水稻的小花由一个外稃、一个内稃、两个浆片、六个雄蕊、一个位于中心的雌蕊组成。其中外稃、内稃和浆片是禾谷类植物所特有的器官，一般认为浆片是双子叶植物花瓣的同源器官。根据基于双子叶模式植物拟南芥和金鱼草的花器官发育的ABC模型，A、B、C三类基因，在相邻的两轮起作用，它们共同决定四轮花器官的特性。其中，A类基因单独决定花萼的发育，A类与B类基因共同决定花瓣的特性，B类与C类基因共同决定雄蕊的发育，而C类基因单独决定心皮的发育。已有的研究表明水稻花器官的发育的基因调控也基本上符合ABC模型，但仍有许多细节尚未阐明。　　 本论文的主要研究对象是水稻的一个无雄蕊突变体，stamenless1(sl1)，它是在田间自发的有籼稻背景的突变体。sl1突变体小花在外观上明显不同于野生型，最显著的特征是在成熟的小花内、外稃变形而不闭合。sl1与水稻的B类基因突变体spw1类似，它们的浆片和雄蕊都发生了同源异型的转化，浆片转化为内稃状结构，雄蕊转化为心皮，表现为雄蕊雌蕊化；而与spw1不同的是，部分sl1小花第三轮器官的数目增多，为6-11个不等，第三轮器官常常带有无明确器官特性的细胞团，我们称它为珠心组织(amorphous tissues)。对sl1突变体的扫描电镜结果显示，从小花原基起始到第三轮原基的形成，sl1的小花与野生型的小花并没有明显区别，说明SL1基因的突变并没有阻断第三轮器官的起始。虽然部分sl1成熟小花的第三轮器官的数目增多，但统计结果显示第三轮器官的平均数目为6.4，说明该轮器官数目的变化并不明显;但约73％的第三轮器官含有珠心组织。sl1突变体小花的组织切片也显示，尽管小花第三轮可能产生多于六个的心皮或心皮状结构但，第三轮原基的起始数目与野生型小花一样还是6个。遗传分析表明，该突变性状由一个隐性单基因控制，但其隐性纯合植株的表型在一定程度上受遗传背景影响。在sl1与其它水稻品种不同杂交后代的分离群体中，其隐性纯合植株小花的表型差异主要表现在雄蕊雌蕊化的程度上，这种雌蕊化的程度可因不同的遗传背景而有很大的差别。　　 运用图位克隆的策略，我们鉴定和分离了SL1候选基因，通过测序和dCAPS分析发现突变体里该基因的第二个外显子有一个单碱基A的插入，这一插入导致基因编码序列发生移码，从而造成蛋白翻译的提前终止。sl1突变体的功能互补实验表明正是该基因的移码突变导致了水稻无雄蕊突变体sl1表型，因为包含野生型SL1基因的11Kb基因组片段能完全恢sl1突变体的表型。Southern杂交和水稻全基因组的搜索都表明，SL1是一个单拷贝基因。SL1基因的编码序列为792bp，编码一个C2H2类的锌指蛋白，SL1与拟南芥的JAG因编码的JAG在蛋白结构和锌指蛋白结构域上具有较高的同源性。SL1-GFP的亚细胞定位和SL1-GST融合蛋白的DNA结合实验均显示，SL1可能是一个转录因子，并且与其它EPF类锌指蛋白具有相同的DNA结合活性。　　 RT-PCR结果显示SL1基因主要在幼穗中表达，在根、叶、茎中不表达，在成熟穗中也表达，但强度明显低于幼穗。原位杂交实验表明，最早可以在浆片和雄蕊原基中检测到SL1的表达，之后在所有的花器官，主要是浆片、雄蕊、雌蕊中都能检测到SL1的表达。RT-PCR和原位杂交结果都显示在突变体小花中，SL1基因的转录并没有受到影响，说明在sl1突变体中SL1的功能丧失是其编码的蛋白功能的丧失。SL1基因影响花器官特性基因的表达，在突变体幼穗中，B类基因OsMADS16/SPW1基因和OsMADS4表达降低，C类基因OsMADS3和OsMADS58表达增强。另外，在小花发育的后期，决定心皮特性的DL基因也明显上调。考虑到SL1基因的表达模式类似OsMASDS16/SPW1，并且sl1突变体与spw1突变体有类似的花器官同源异型转化的表型，所以我们推测SL1可能通过正调控SPW1/OsMADS16基因的表达来决定浆片和雄蕊的发育，SL1基因是水稻雄蕊和浆片发育所必需的。而突变体里C类基因和DL基因表达的变化增强，则可能归因于OsMADS16/SPW1基因表达被抑制，它们的表达向外轮扩展的结果。　　 此外，突变体第三轮原基的起始并没有受影响，所以SL1基因可能主要是通过维持花器官特性基因的表达从而决定花器官的特性。另外，sl1突变体内轮器官产生珠心组织，部分小花第三轮器官数目增加，说明SL1基因可能参与内轮器官侧向生长并在器官分化过程中调控细胞的增殖。过表达SL1的转基因植株的小花常常产生额外的雄蕊和浆片似乎也证实了这种推测。　　 最后，值得一提的是，SL1的氨基酸序列与拟南芥的JAG具有较高同源性，但SL1基因与J4G基因不同的是，前者在水稻的花发育过程中参与了决定花器官的特性、花器官的数目、细胞的增殖调控，而后者在拟南芥中则不行使类似的功能。这也暗示了在单子叶和双子叶植物分歧后，SL1与JAG在各自功能上的分化和适应。