4个水稻高产性状基因调控网络与分子育种的研究

High yield cultivar is the major goal of rice breeding. The major traits contributed to high yield in rice are grain size, grain number and number of effective tillers. In rice, four genes GS3、Gn1a、DEP1、OsSPL14 that negatively regulate the above traits have been found and investigated in detail. However, the combining effects of these genes on rice yield has not been investigated. The newly developed site-specific mutagenesis, combined with hybridization, make it possible to stack the four genes into one cultivar. Using CRISPR technology, we produced rice cultivar “Zhonghua 11” with single mutation in GS3、Gn1a、DEP1、OsSPL14 respectively, and their homozygous mutation showed the reported yield traits in field tests. In this project, we will produce cultivars containing different combinations of the four traits including two traits, three traits and four traits, and use these cultivars to dissect the interaction of these traits and their gene networks. Our work will facilitate molecular breeding of rice with high yield.

高产品种的培育是水稻育种的重要内容。水稻高产主要由穗粒大小、穗粒数、有效分蘖数等重要性状构成。水稻中已发现的功能基因GS3、Gn1a、DEP1、OsSPL14分别为负调控穗粒大小、穗粒数、直立型密穗、理想株型高产性状的重要基因。采用定点突变的方法将上述性状叠加在同一品种，有助于阐明这些基因相互作用的机理并将其应用于高产育种。我们在前期的工作中采用CRISPR/Cas9技术分别定点突变以上基因，在水稻品种“中花11”中获得相应的GS3大粒、Gn1a大穗、DEP1直立型密穗、OsSPL14理想株型且不含转基因的4种材料。本项目将在此基础上，利用这些具有相同基因组背景却具有不同高产性状的材料通过杂交的方法获得2个、3个、4个基因聚合材料，通过对上述材料产量性状的调查和相关表达谱的研究，揭示水稻高产性状的基因调控网络，阐明建立水稻高产分子育种改良理论和技术方法。

本项目采用CRISPR/Cas9技术对水稻品种“中花”11的4个高产性状相关基因（GN1a、GS3、DEP1、IPA1）进行突变编辑，获得的相应突变体gn1a、gs3、dep1、ipa1表型分别具有大穗、大粒、半矮化直立密集穗、理想株型。通过杂交将高产性状基因进行聚合，获得了两个基因聚合的6种组合gn1a-gs3、gn1a-dep1、ipa1-gn1a、gs3-dep1、ipa1-gs3、ipa1-dep1品系，三基因的三种组合ipa1-gs3-dep1、ipa1-gn1a-gs3、ipa1-dep1-GN1A/gn1a品系。未能得到dep1-ipa1- gn1a、dep1-gs3-gn1a及四基因组合dep1-ipa1-gn1a-gs3的纯合体。产量性状分析表明：gs3、gn1a、ipa1两两组合或三组合有进一步提高种子大小、主穗颖花数及平均颖花数、株高的作用,但抗倒伏能力差；包含dep1组合的株系均表现为半矮化、抗倒伏力强，但gn1a-dep1、gs3-dep1的结实率极差；ipa1-gn1a的结实率也明显下降，ipa1-dep1与gn1a组合的得不到纯合后代。转录组数据和蛋白互作数据分析表明，gs3基因调控网络主要作用于顶端分生组织、种子大小、能量代谢、种子淀粉物质储存，与ipa1 和gn1a组合表现出加性效应；dep1与gs3 同属G 蛋白，调控网络具有较高的相似度，但双突变体结实率低，可能与小孢子发育和花粉胼胝质的沉积相关。dep1调控网络与ipa1差异较大, ipa1-dep1双突变综合了单突变体中的大多数调控网络，表现出较好的农艺性状。未能获得dep1-ipa1-gn1a、dep1-gs3-gn1a三突变和dep1-ipa1-gn1a-gs3四突变的纯合突变体，可能与dep1、gn1a、gs3 组合后影响花粉育性和灌浆结实相关。综上所述，通过该项目的研究，获得多个有利于进一步增加水稻产量的组合，也发现影响结实率的多个组合，以上基因叠加时基因之间存在复杂的互作关系。这些将为水稻基因定点突变、聚合育种、设计分子育种提供实验依据。