一新的水稻粒形和粒重主效QTL的克隆及其功能研究

Rice is one of the most important staple crops in the world. As the key factors of rice production, grain size and grain weight have attracted interest of geneticists for uncovering genetic mechanism underlie. In the project, a BC2F3 population and the NIL derived from PA64s and 93-11 are developed for fine mapping and molecular cloning of qGS2, a new major QTL for grain size and grain weight. Sequencing and expression analyses of candidate genes screen GS2 gene, whose function is to be confirmed by complementation test, over-expression and antisense experiments. Subcellular localization and tissue-specific expression of GS2 are to be detected via transient expression system in tobacco and GUS assay in rice, respectively. Using panicles of two parents and the NIL at boot stage, relationship of GS2 with other genes controlling grain size or cell cycle and comparison of expression at protein level are to be explored by RNA-seq and Western, respectively. In addition, the correlation between allelic variation and rice domestication will be studied by sequencing and phenotyping 124 rice varieties with different grain size.

水稻是世界主要的粮食作物之一，而稻谷粒形和粒重作为稻米产量的影响因素，其遗传调控机制的研究对水稻的高产育种具有重要的指导意义。本项目利用超级杂交稻亲本培矮64s与93-11的大规模BC2F3群体和近等基因系，精细定位和图位克隆一新的控制稻谷粒形和粒重的主效QTL--qGS2。采用对两亲本候选基因的测序和表达分析筛选基因GS2，开展功能互补实验、过表达和反义实验来验证基因功能；通过构建YFP载体转化烟草和构建GUS载体转化水稻来了解GS2蛋白的细胞内定位情况和组织表达特异性；用Western杂交比较亲本及近等基因系蛋白表达的差异。同时，利用亲本及近等基因系孕穗期颖壳的RNA测序，探究GS2基因与其它粒形基因以及细胞分裂调控基因之间的关系，初步确定参与的代谢或信号途径。此外，利用对大量具有不同粒形的水稻品种的表型鉴定和粒形基因测序进行等位变异分析，从中挖掘基因变异与水稻驯化的内在联系。

水稻是世界主要的粮食作物之一，而稻谷粒形和粒重作为稻米产量的影响因素，其遗传调控机制的研究对水稻的高产育种具有重要的指导意义。本项目利用超级杂交稻亲本培矮64s与93-11的大规模BC4F2群体，精细定位和图位克隆了一新的控制稻谷粒形和粒重的主效QTL——qGS2。双亲在GS2基因的启动子区2kb内存在6个SNP和3个InDel，并且培矮64s的GS2基因在孕穗期颖壳中的转录水平表达显著高于近等系。组织细胞学观察到近等系颖壳的细胞数目比培矮64s显著增多，幼穗细胞倍性检测发现近等系的细胞分裂旺盛。过表达和基因敲除实验验证了GS2基因的调控粒形和粒重功能，GUS染色发现GS2蛋白在幼穗的颖壳中高表达，亚细胞定位将其定位在细胞膜、细胞质和细胞核中。灌浆动态分析显示GS2基因控制颖壳大小的同时，也影响了籽粒干物质的积累。利用对大量具有不同粒形水稻品种的表型和GS2基因序列的关联分析结合启动子荧光素酶活性实验，我们确定了基因启动子区引起表达差异的关键位点，并挖掘出基因变异与水稻驯化的内在联系。同时，利用聚类分析和实时定量PCR，探究了GS2基因与其它粒形基因以及细胞分裂调控基因之间的关系。项目为阐明水稻粒形的遗传调控机制和培育高产水稻的分子育种奠定了基础。