野生稻穗粒数QTL GPA2的克隆及分子进化研究

穗粒数是水稻产量构成因素之一。栽培稻的近缘野生祖先种－普通野生稻枝梗数和穗粒数少，而驯化为栽培稻后，枝梗数和穗粒数显著增加，产量大幅度提高。但穗粒数是典型的数量性状，遗传机制比较复杂，目前其调控与驯化的分子机理仍不清楚。申请者从元江普通野生稻渗入系中，鉴定出一个穗粒数少的渗入系YIL19-92，并在其第2染色体长臂末端检测到一个影响穗粒数的QTL（GPA2）。本研究将在 GPA2精细定位的基础上，克隆穗粒数 GPA2基因，鉴定其生物学功能，研究GPA2参与的水稻穗粒数分子调控途径，比较野生稻GPA2基因与栽培稻gpa2基因在序列、表达及基因组结构上的差异，揭示GPA2基因在水稻驯化过程中的变化和选择规律。研究结果不仅为阐明水稻穗粒数调控与驯化的分子机理提供重要参考，也为水稻分子育种提供新的基因。

水稻穗粒数是影响水稻产量的重要因素之一。水稻的近缘野生祖先种－普通野生稻枝梗数和穗粒数少，而驯化为栽培稻后，枝梗数和穗粒数显著增加，产量大幅度提高。但穗粒数是典型的数量性状，遗传机制比较复杂，目前其调控与驯化的分子机理仍不清楚。本研究通过调查云南元江普通野生稻渗入系产量相关性状发现，渗入系YIL19较受体亲本特青穗粒数明显减少。进一步分析穗部结构，YIL19穗粒数减少是由于其一次枝梗长度较特青缩短，导致二次枝梗数减少引起的。利用渗入系YIL19与受体亲本特青回交，构建次级分离群体，第2染色体长臂末端检测到一个影响穗粒数的QTL GPA2，且该QTL来自野生稻的等位基因为显性，表现为减少穗粒数。进一步利用由4512个F2单株组成分离群体，将GPA2精细定位在粳稻品种日本晴参照基因组为47kb的区间内。通过测定精细定位区间内基因组序列发现，野生稻基因组在第1个预测基因的第3个外显子上检测到了一个长度为1096bp的DNA片段插入。RNA-Seq和RACE实验结果表明，该插入产生了2个新的转录本，长度分别为497bp和494bp，其前体由2个外显子和1个内含子组成。利用生物信息学方法查找编码蛋白开放阅读框发现，该转录本最长开放阅读框为213bp，仅编码由70个氨基酸构成的多肽。因此，我们推测该转录本也有可能以长链非编码RNA的形式行使功能。基因功能互补实验结果表明，该转录本过表达转基因植株较对照植株穗粒数明显下降，由此可证明该转录本即就是目标基因GPA2。同时，利用不同浓度外源赤霉素处理YIL19和受体亲本特青发现，YIL19幼苗表现出对外源赤霉素不敏感的特征，由此初步推测GPA2可能通过赤霉素途径调控水稻穗粒数。本研究所克隆的来自野生稻调控穗粒数的QTL GPA2，是由一个DNA片段插入事件所产生的新基因。因此，本研究结果不仅证明了野生稻GPA2可调控水稻穗粒数的形成，为水稻产量性状驯化的分子机理提供重要参考，而且发现了一个基因形成新的模式，为揭示新的基因形成机制提供了一个实证，具有十分重要的理论和实际意义。