GW8-Amol等位基因增加水稻枝梗数和穗粒数的分子机制研究

Increasing yield is one of the most important goals of rice science research, but yield and quality are typically negatively correlated with one another,how to improve grain yield and quality simultaneously remains a challenge for rice breeders. By using SSSLs（single segment substitution lines）derived from a cross between Huajingxian74 and Basmati385 (both Oryza sativa L. ssp. indica), we cloned GW8, a new gene controls rice grain size. Higher GW8 expression level can promote grain width and improve grain weight; but the grain width and grain weight are reduced when GW8 loses function or in lower expression level. GW8 also affected rice branch differentiation: panicle size and grain number per panicle are significantly decreased in GW8 over-expression transgene plants; but loss of GW8 function increased branchs, resulting in an improvement of grain numbers per panicle. We identified a rare allele of GW8 from Amol3 (Oryza sativa L. ssp. indica), which has a 2-bp insection resulting in a premature stop codon in exon3. The gw8Amol allele induced slender grain , but promoted panicle branching and thereby enhanced grain yield. To determine the mechanism underlying the gw8Amol regulation of panicle size and grain number, a yeast two-hybrid system be used to screen a cDNA library using GW8 as bait. And We will find GW8 interaction factors through RNA-seq. Based on these results, we will detect the function of these genes in grain number regulation and confirm the molecule mechanism of gw8Amol allele in controlling branch differentiation and grain number.Thus, our findings will advance our understanding of the molecular machinery in coordinated regulation of grain yield and grain quanlity, and establish a new tool for improved crop molecular breeding.

在实际育种中高产品种往往米质较差，如何解决提高稻米品质和增加产量之间的矛盾，是水稻育种所面临的重要问题之一。在前期研究中，我们利用单片段代换系材料克隆了控制水稻粒形的重要基因GW8，并发现一个来自Amol3的GW8等位基因。携带gw8Amol等位基因的单片段代换系材料粒形细长，该等位基因还可促进水稻枝梗数和穗粒数的增加，在提高稻米品质的同时保证了水稻产量。我们利用酵母双杂交技术筛选GW8互作蛋白，并通过RNA-seq分析在NIL-GW8与NIL-gw8Amol中差异表达的基因。在此基础上对筛选到的基因进行功能验证和分析，利用单片段代换系材料分析目的基因的等位基因类型及遗传效应，以期阐明gw8Amol等位基因控制水稻枝梗分化和穗粒数的分子机理，解析穗型发育与粒形控制的互作网络，为实现水稻高产和优质协同改良的分子设计育种提供理论依据。

高产和优质一直是水稻育种工作中的重要目标。但是，在实际育种中高产品种往往米质较差，解决提高稻米品质和增加产量之间的矛盾，是水稻育种所面临的重要问题之一。前期研究中，本团队克隆了一个控制水稻粒形的基因GW8，并发现了一个可以同时改善稻米外观品质、增加穗粒数的等位变异gw8Amol。本研究利用近等基因系材料系统分析了枝梗分化期和籽粒分化期的差异表达基因，鉴定到300多个差异表达的转录因子，其中46个在枝梗分化期存在显著差异，另有100多个在籽粒形成时期具有表达差异。研究还发现，受GW8调控的GW7基因仅在籽粒快速伸长期在一对近等基因系材料中存在表达差异，其他时期没有显著的差异。这表明水稻复杂农艺性状的遗传调控网络非常复杂和多样，水稻枝梗分化和籽粒的形成分别受不同基因的遗传调控。.利用酵母双杂交技术确定了16个GW8互作蛋白，对其中4个进行了较为深入的功能研究。研究发现，过量表达GIP3的植株中，穗粒数显著增多，水稻粒长增加；而该基因被编辑后，穗粒数变化不明显，但粒形变短，长宽比降低。GIP3是一个定位于细胞核的转录因子，GIP3通过调控GW7的表达水平最终影响水稻粒形；GIP3对水稻穗粒数的调控可能通过改变FZP，OsSPL14等控制水稻穗型的基因表达水平来实现的。以上研究为解析粒形与穗发育之间的遗传调控网络提供了新的思路，为水稻高产优质的分子设计育种提供了理论依据和种质资源。