粳稻粒长基因qGL6.1的精细定位与功能验证

Grain length is an important trait affecting grain yield, appearance quality and processing quality in rice (Oryza sativa L.). The breeders pay more attentions to the selection for greater grain length during current improvement of japonica varieties in Northern China. However, it is difficult to increase the grain length in japonica because its related genes were known less. In the previous study, qGL6.1, a major QTL for grain length was mapped to an approximately 97.46 kb segment in chromosome 6 under multiple environments by using recombinant inbred lines derived from a cross between japonica varieties Gangyuan8 and Liaoxing1. The favorable allele was derived from Liaoxing1. According to relevant gene retrieval and whole genome resequencing, the qGL6.1 was predicted to be a new gene regulating rice grain length. Based on previous studies, this research tries to carry out the followed studies in depth: (1) We want to cross the backcross population and select recombinants by molecular markers to map the gene deeply. (2) We try to forecast the candidate genes according functional annotation and sequence polymorphism and prove the genes' function by constructing vectors and genetic transformation. (3) Molecular markers will be designed for genotype identification in rice germplasm and marker-assisted selection. The study will provide basis for further analysis of the gene function, gene evolution and intergene regulatory network.

水稻粒长是影响稻米产量、外观品质和加工品质的重要性状。当前北方粳稻呈现长粒化育种趋势，但粳稻粒长基因的挖掘工作相对薄弱，限制了粳稻粒长的改良。申请人在前期研究中，利用粳稻品种港源8号与辽星1号杂交衍生的重组自交系群体于第6染色体短臂97.46 kb范围内定位了一个多环境下能稳定表达的粒长主效QTL（暂命名为qGL6.1），其增效等位基因来源于辽星1号，通过基因搜索和全基因组重测序结果预测了其是调控水稻粒长的新基因。本项目将在前期研究基础上，开展以下研究：（1）构建回交群体，利用分子标记筛选发生重组的个体，鉴定重组子的表型，精细定位该基因；（2）根据基因的功能注释及序列多态性确定候选基因，构建候选基因的表达载体和敲除载体并转化受体品种，验证基因的功能；（3）设计分子标记，用于对水稻种质资源基因型的鉴定及分子标记辅助选择。本研究的开展将为深入解析该基因功能、基因演化以及基因间调控网络奠定基础。

水稻粒长是影响稻米产量、外观品质和加工品质的重要性状。当前北方粳稻呈现长粒化育种趋势，但粳稻粒长基因的挖掘工作相对薄弱，限制了粳稻粒长的改良。本研究在对长粒粳稻品种辽星1号的粒长基因qGL6.1进行初步定位的基础上，通过群体构建、基因定位、基因过表达、RNAi等为技术手段，对qGL6.1开展了基因精细定位与功能验证。研究结果如下。.（1）基因精细定位：利用弯穗型粳稻港源8号和直立穗型粳稻辽星1号杂交衍生的重组自交系群体中筛选到携带来源于辽星1号qGL6.1等位基因的长粒型单系R176，将该单系R176与港源8号回交并自交，获得BC1F2和BC1F3分离群体。根据初步定位区间内双亲间存在多态的SNP开发9个KASP分子标记，对精细定位群体中的重组子进行鉴定，共发现了8个单交换重组子，通过对其粒长进行鉴定，将qGL6.1所在区间进一步缩短至20.117 kb。.（2）候选基因预测：在该候选区间内，仅LOC_Os06g43304.1在港源8与R176间表达量存在差异。通过对比该基因DNA序列在港源8和辽星1号间多态性，分别在上游调控区域发现了10个SNP和5个InDel，下游调控区域发现了9个SNP和1个InDel。通过基因预测和序列分析，确定编码水稻细胞色素cytP450的LOC_Os06g43304.1为qGL6.1的候选基因。.（3）基因功能验证：根据候选基因cytP450（LOC_Os06g43304.1）的全长cDNA序列，构建该基因的过表达和RNAi遗传转化载体，分别转化至港源8中。与野生型相比，cytP450过表达株系的粒长呈降低趋势，cytP450的RNAi株系的粒长显著提高，说明cytP450（LOC_Os06g43304.1）对水稻粒长具有负调控作用。.（4）分子标记开发：根据目的基因双亲间DNA 序列的差异，设计了分子标记1个，对粳稻种质资源进行鉴定，发现了6份粳稻长粒资源携带qgl6.1等位基因。.综上所述，qGL6.1是从直立穗粳型超级稻品种辽星1号中鉴定的粒长主效基因，该基因编码细胞色素cytP450，其上游调控区域发生等位变异将改变该基因的表达量，抑制该基因表达能够使粳稻粒长提高10%以上，该基因的挖掘对丰富粳稻长粒基因资源，改良直立穗型品种的产量与品质具有重要的应用价值。