水稻穗部性状调控基因PT2的生物学功能研究

Rice panicle traits such as, grain shape, panicle length, primary branch number, spikelet number per panicle and seed shattering, play important roles in grain yield and quality. Although a few genes affecting panicle traits were cloned, little was known about the molecular basis of panicle growth. From the previous studies, we cloned and functionally analyzed a novel gene PT2, which encodes a growth-regulating factor that positively regulates grain shape, panicle length and negatively regulates seed shattering. The sequence diversity of the coding region seems to be associated with the expression levels of PT2, which resulting in phenotypic difference. In this project, we will systematically investigate the biological functions of PT2, excavate predominant allele, search functional SNP, ascertain the target genes regulated by PT2 and its biological pathways, screen interacting proteins, and analyze PT2 regulating rice endogenous hormone. Results from the proposed study will provide more insight into the regulatory mechanism and network of rice yield traits, and also generate gene resources and technical support for high yield and quality breeding of rice.

水稻穗部性状包括粒形、穗长、一次枝梗数、每穗粒数和籽粒落粒性等，对水稻的产量和品质有重要影响。目前，尽管一些控制水稻穗部性状的基因被克隆，但对于这些基因如何参与水稻穗部性状生长调控的分子基础等问题仍不清楚。通过前期研究，我们克隆了一个新的控制水稻穗部性状的基因PT2，PT2基因编码一种生长调控因子蛋白，正调控粒形和穗长、负调控籽粒落粒性。编码区序列的变异与PT2基因的表达水平相关，从而导致PT2不同等位基因的表型差异。本项目将系统地对PT2基因的生物学功能进行深入研究，挖掘优势等位基因、寻找功能性SNP位点，明晰PT2调控的靶基因及生物学途径，筛选PT2互作蛋白，同时分析 PT2对水稻内源激素的调控。一方面为深入认识产量性状调控机制和遗传网络奠定基础，另一方面挖掘其复等位基因，为水稻高产、优质育种提供基因资源和技术支持。

水稻粒形、穗长、种子萌发／休眠和落粒性等穗部性状大多由复杂的数量性状位点控制，在水稻产量和品质中发挥重要的作用。OsGRF4正调控粒形和穗长、负调控落粒性。测序分析、表达模式和融合表达载体转化结果表明，位于OsmiRNA396调控位点的OsGRF4基因SNP3位点变异导致OsGRF4表达量升高，最终使籽粒变大、穗子变长同时改善落粒性。此外，根据SNP3位点的稀有变异设计了OsGRF4的功能标记；转录组测序的结果为明确水稻穗部性状调控机制提供了一些重要的新的候选基因，通过酵母双杂和ChIP-seq明确了OsGRF4基因调控的靶基因及生物学途径；解剖结构观察显示OsGRF4通过改变离层结构影响籽粒的落粒性，OsGRF4基因主要通过增加细胞长度来增加籽粒的大小；NIL-OsGRF4幼穗中4种细胞分裂素的含量要显著高于NIL-Osgrf4中的含量，较高的细胞分裂素含量可能导致大粒、长穗和不易落粒；利用大粒基因OsGRF4培育了恢复系R257，并与水稻两系不育系双8S配组。双8S/R257在龙山的产量最高，亩产达到742.5 kg，在所有组合和所有试验点当中均排名第1，说明OsGRF4基因具有高产潜力。