qLGY3控制水稻粒长和提高产量的分子机制研究

Rice yield traits consist of three key components, including tiller number per plant, grain number per panicle and grain weight, which are controlled by quantitative trait loci. Recently, we identified a major QTL,qLGY3, which was related to long slender grain and high yield on the chromosome 3 in rice. In this proposal, we will isolate the LGY3 gene through map-based cloning and analyze the molecular characterization of LGY3 and its regulatory networks using RNA-seq technology. Furthermore, we will identify the LGY3-interacting proteins via yeast-two hybrid screening. More importally, the molecular function of the interaction between DEP1 and LGY3 protein will be analyzed in-depth.

增加千粒重是实现水稻高产育种的有效途径之一。然而，水稻籽粒大小（粒长和粒宽）是受多基因和环境影响的复杂数量性状，其分子调控机制目前仍不很清楚。利用细长粒型的美国水稻品种L204构建的CSSL群体，QTL分析检测到了一个与细长粒型和产量增加相关的主效QTL：qLGY3（Long grain and high yield）。通过图位克隆获得了候选基因LGY3，发现LGY3蛋白能与水稻高产dep1基因编码蛋白互作。在此基础上，本项目拟利用RNA-seq分析LGY3可能调控的下游基因；分析LGY3与其它粒型基因（如GS3和GW8等）之间的遗传互作关系；鉴定LGY3互作蛋白并研究其生物学功能；重点解析dep1和LGY3蛋白互作协同提高穗粒数和千粒重的分子机制，为水稻高产分子设计育种奠定理论基础。

直立密穗基因dep1已在我国水稻高产育种中发挥了重要作用，它能促进穗粒数增加，但却使籽粒变小。目前人们对水稻穗粒数和千粒重负相关的分子调控机制的认识还非常有限。本项目利用携带dep1高产水稻品种与长粒型热带粳稻品种L204杂交所构建的CSSL和RIL群体， QTL分析定位到了3个能抑制dep1短粒表型的粒长QTL。图位克隆技术和遗传互作实验证实了GW7基因编码TRM蛋白， GW7基因高表达能促进纵向细胞分裂和抑制横向细胞分裂，使得让稻米变得更为细长，并提高稻米在外观品质。研究发现转录因子OsSPL16能够直接结合到GW7基因的启动子并抑制基因表达，利用OsSPL16-GW7分子模块可实现产量不减的基础上显著提升稻米品质。另外，LGY3基因编码一个转录因子。lgy3是由于ORF区的一个碱基变化造成了37氨基酸缺失突变导致，它能促进细胞分裂，导致籽粒变长和粒重增加。田间测产实验表明dep1和lgy3聚合能在dep1增产的基础之上再增产约10%。LGY3蛋白能与水稻Gβ亚基和所有Gγ亚基互作，RNA-seq和转录激活实验研究证实DEP1和GS3蛋白作为转录因子LGY3蛋白的co-factor，增强LGY3转录活性，促进下游靶基因表达，进而调控水稻种子大小。这些研究结果为解析G蛋白信号途径调控水稻穗粒数和种子大小的分子调控机制研究提供了新线索。