水稻粒形基因GS9的分子调控机制及其育种利用研究

Rice yield is mainly determined by three components of panicles per plant, grain numbers per panicle and grain weight. Grain weight is usually represented with 1000-grain weight and is the comprehensive embodiment of grain length, grain width and grain thickness. In this study, the big grain recessive mutant gs9 (grain size on chromosome 9) was obtained from mutant library of the WYJ7 after EMS mutagenesis. On the base of fine mapping and identifying candidate gene, we will carry out the cell morphology observation, isolation and cloning of the grain size gene，ascertaining the regulation approach of promoting culm and glume cells development by GS9 with the plant hormones treatment and measurement, gene function analysis by constructing different function and expression vectors and double mutant analyzing, RNA-seq and yeast two-hybrid system to screening, verifying and analyzing of upstream and downstream genes and interacting proteins of GS9. This research will preliminarily ascertain the genetic and molecular mechanism of the GS9 gene in grain size development, and benefit our understanding of the gene regulatory networks, provide theoretical and materials basis of molecular design breeding for high yield in rice.

水稻产量主要由有效穗数、每穗粒数和谷粒重三要素组成。谷粒重一般由“千粒重”表示，是粒长、粒宽和粒厚的综合体现。本申请以一个从武运粳7号的EMS诱变库中获得的高秆大粒突变体gs9（grain size on chromosome 9）为研究材料，在已精细定位并确定候选基因的研究基础上，拟进一步完成细胞形态观察，分离和克隆该粒形控制基因；开展生长激素的处理及测定，探明GS9促进茎秆和颖壳细胞生长的调控途径；同时构建不同的功能和表达载体及与其它粒形材料构建的双突变体，开展GS9的功能研究；结合RNA-seq和酵母双杂交分析，开展上下游基因和互作蛋白的筛选、验证和分析，初步探明GS9基因在水稻籽粒发育中的遗传机制及分子调控机理。本研究为丰富水稻粒形的基因调控网络，开展分子设计育种，培育高产水稻新品种打下了良好的理论和材料基础。

籽粒大小是水稻产量的主要决定因子之一，开展粒形相关基因的克隆与分子机理研究，对丰富水稻粒形的遗传调控网络，创建高产优质水稻新种质具有重要的意义。本项目以一个大粒突变体gs9为研究材料，在前期精细定位50.2kb的基础上，利用图位克隆和分子克隆技术完成了GS9编码基因的分离与克隆。转基因互补、过表达和基因敲除实验证明GS9是决定籽粒大小的负调控因子，其编码一个锌指结构的转录因子。扫描电镜和石蜡切片结果显示，gs9主要是通过促进细胞大小的发育来增加籽粒大小和植株高度。赤霉素GA3和抑制剂PAC的处理结果发现，gs9能够增强GA20ox1和GA20ox2的表达，且对抑制剂更加敏感。RT-PCR和GUS染色表明，GS9在根、茎、叶、鞘和穗中均有表达，其中在幼叶、幼茎和幼穗的中表达最高，这与突变体表型主要集中在株高和粒形上相一致。RNA-seq分析发现，表达差异基因主要集中在光合天线蛋白、光合作用、内质网蛋白加工、维生素B代谢、植物昼夜节律、卟啉和叶绿素代谢、玉米素生物合成、乙醛酸和二羧酸代谢、RNA降解等，表明gs9是通过这些生物学过程来调控植株发育的。通过GS9和GFP的瞬时融合表达载体转入到水稻原生质体，发现GS9主要定位在细胞核中，这与其编码一个转录因子相吻合。利用构建的酵母文库，从中筛选到能与GS9互作的CSN3、Ring1A和MADS29蛋白，并通过BiFC验证，表明GS9可以通过与这三个蛋白互作，调控籽粒和植株的发育。本研究为进一步研究GS9在调控籽粒大小和株高上提供了遗传学和细胞学证据，为培育高产优质水稻新品种提供了理论基础。