栽培稻长日照抑制开花基因的变异、互作关系和适应性进化研究

Understanding the formation and evolutionary mechanism of the diversity of flowering time in rice will help interpret the rice regional adaptability and provide a basis for expanding and planting area of rice cultivars. Our previous studies on 10 major genes involving the photoperiod pathway of rice revealed that the polymorphic loci of long-day suppression genes are significantly correlated with the diversity of flowering time. In this project, we will sequence all long-day suppression genes for selected representative accessions of cultivated rice and its wild relatives across the world to: (i) identify the functional polymorphic loci through association analysis and transgenic experiments, (ii) explore the interaction among functional loci using linkage analysis and hybridization tests, (iii) elucidate the distribution of functional loci and their interaction in the regulatory network, their origin mode and evolutionary forces based on population genetics and functional analyses. The results will reveal molecular evolution mechanism of long-day suppression genes and their impacts on the diversity of flowering time and adaption of rice. We also provide genetic resources of cultivated rice for heading date and new idea for molecular design breeding.

抽穗期决定栽培稻品种的季节和地区适应性，是影响水稻产量的重要因素之一。申请人前期对栽培稻光周期调控网络中关键节点上的基因研究发现，长日照抑制开花基因与栽培稻抽穗期多样性显著相关。但是，这些基因的变异模式如何影响抽穗期多样性，以及基因间的互作关系仍不清楚。本项目选择600份覆盖范围广且代表性强的亚洲栽培稻及其近缘野生种资源，对12个长日照抑制开花基因进行测序，通过关联分析和亲缘地理学研究，确定与抽穗期多样性相关的功能等位基因；利用转基因和杂交试验进一步验证等位基因的功能及互作关系，明确长日照抑制开花基因遗传变异对栽培稻抽穗期多样性的影响机理；综合群体遗传学的方法，阐明功能等位基因和互作基因的起源方式和进化动力。本研究不仅将揭示亚洲栽培稻抽穗期多样性形成的分子遗传基础和适应性进化机制，而且能够丰富栽培稻抽穗期遗传资源的多样性，为寻求亚洲栽培稻广适性基因型组合提供新思路。

水稻（Oryza sativa）起源于热带亚洲，是世界上最重要的热量来源之一，目前在世界各地的热带和温带地区均有种植。一些水稻品种对温带气候的温度和光周期的耐受能力对这种主食作物的全球扩张至关重要。我们的研究小组长期致力于探索水稻对日长和温度的适应性，但发现的潜在基因主要集中在少数重点水稻品种上，这只能部分解释水稻的局部适应性。本研究采用世界上最全面的野生稻和栽培稻种质资源（分别来自中国农业科学院和国际水稻研究所），在全基因组重测序分析中，阐明有助于栽培水稻光周期和温度适应的基因座。结合水稻分蘖突变体分析，证明了一个新确定的候选基因座的因果关系，我们的研究为水稻栽培在整个温带气候中的传播过程提供了重要的新见解。我们认为，这项工作的新颖性和意义有好几方面：1） 我们使用基因组扫描来识别与适应相关的基因座，并通过突变分析来验证一些基因的功能作用。研究结果不仅阐明了栽培稻由热带向温带扩展的分子遗传机制，而且为预测水稻品种未来的广泛适应性提供了理论依据。2） 我们发现许多适应性基因是通过导入产生的。这些导入片段虽然可以提高栽培稻的适应性，但也会导致抗病性和抗逆性的退化。所鉴定的导入片段对水稻品种改良的分子育种设计具有重要的指导意义。.3） 我们的分析强调了驯化过程中的基因组变化如何促进和限制适应性，从而导致栽培稻育种的优势和劣势。它进一步提高了我们对整个栽培稻驯化历史的认识。