重穗型杂交稻骨干亲本千粒重和穗粒数基因SG1的功能解析

Heavy-panicle hybrid rice, which core point is to enhance the weight of 1000-grain and single panicle, has been proved to be the important way to enhance rice yield in southwest region. But the heavy-panicle hybrid rice related genes and its function are unclear. Therefore, exploring the key genes related heavy-panicle hybrid rice, studying their molecular mechanism, analyzing their sequence variation and evaluating their application value are significant for enhancing the rice yield and understanding the molecular genetics of heavy-panicle hybrid rice. In this project, we used a Shuhui 498 mutant sg1 as research material, which showed a significant decrease of 1000-grain and the grain number per panicle. Re-sequencing with linkage analysis for sg1 showed that sg1 phenotype was caused by the mutation from G to A in P80 Kantanin con80 domain, and that was verified in F2 population. Based on these results, we planned to further study the cell and molecular biology of SG1, and analysis the relationship between SG1 and katanis P60，grain shape related genes GW2，GW5，GW8，GS3, those data will lay a foundation for uncovering the gene regulation network of rice grain shape and panicle development. Meanwhile, we planned to analyze SG1 sequence variation, the geographical distribution of different SG1 haplotypes, select haplotype with the best effect and design function marker for molecular breeding; these data will lay a foundation for the SG1 application on rice breeding.

以提高千粒重和单穗重为核心的重穗型杂交稻被证明是提高水稻产量的重要途径,但重穗型杂交稻分子遗传基础及相关基因和功能解析不清楚。因此发掘重穗型杂交稻骨干亲本的关键基因，研究其遗传机理，分析基因多样性，评估其应用价值，对解析重穗型杂交稻高产的遗传机理具有重要意义。本项目利用重穗型杂交稻骨干亲本蜀恢498的一份千粒重和穗粒数显著降低的突变体sg1为研究材料，结合重测序和突变位点连锁分析及群体验证表明sg1表型是由P80剑蛋白中Con80结构域的一个G变成A导致的。本项目在上述研究基础上深入研究SG1基因的细胞和分子生物学功能，以及与P60剑蛋白，粒型相关的GW2，GW5，GW8，GS3等基因的相互关系，为全面揭示水稻粒型和穗粒数发育的分子调控网络奠定基础，同时比较分析该基因序列的多态型和不同等位基因的地理分布与进化过程，筛选最佳效应等位基因，开发分子育种的功能标记，为育种利用奠定基础。

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物之一，为全球近一半的人口提供了稳定的食物来源。粒型是决定水稻产量的一个重要因素，同时还会影响稻米的品质。近年来，很多粒型相关基因已经被克隆，但是这些基因的调控机制还并不是很清楚。我们在重穗型杂交稻骨干亲本蜀恢498 (R498)的EMS诱变突变体库中鉴定到一个粒型变短的突变体sg1 (short grain1) ，sg1突变体主要表现为株高降低、粒长变短，同时剑叶和穗长变短，千粒重降低。细胞学研究表明sg1颖壳变短主要是由细胞长度变短导致，定量PCR结果表明sg1通过调控细胞扩张来调控粒长。遗传分析表明该突变体的粒长受一对隐性核基因控制，利用MutMap定位方法分离并鉴定了两个候选基因SH4和OsKTN80b，分别对两个候选基因的功能进行了相关研究。 . 通过CRISPR/Cas9敲除OsKTN80b以及遗传互补实验表明OsKTN80b在sg1突变体中株高方面有调控作用。OsKTN80b的表达模式分析表明以及GUS染色结果显示，OsKTN80b是一个组成型表达的基因，GUS染色切片结果显示OsKTN80b主要在各组织的维管束中强烈表达，表明OsKTN80b在细胞发育中的重要作用。亚细胞定位结果表明，OsKTN80b主要在细胞膜、细胞核和细胞质中发挥功能。转录组分析结合耐冷性实验表明，在sg1突变体中，OsKTN80b通过影响冷胁迫诱导相关转录因子的表达来调控水稻芽期的耐冷性。通过对sh4 T-DNA突变体和遗传互补植株的研究表明Os04g57530是控制sg1突变体株高、粒型和穗型的基因。表达模式分析结果表明SH4是在水稻穗部和颖壳组织中特异性高表达的基因。亚细胞定位结果表明SH4定位在细胞核，此外，SH4与GS3可能是通过独立的途径调控粒长。对OsKTN80b和SH4 基因的功能研究，为阐明水稻株高的形态建成和粒型的遗传调控提供了理论依据，为改良育种提供了新的遗传资源。