GHD10调控水稻穗部形态的机理与应用研究

It is the foundation of yield breakthrough to study and utilize desirable gene resource, while panicle morphological characteristics including grain number per panicle, branch number and panicle length is one of the important factors in determining yield formation in rice. In the previous study, we have cloned and verified a rice panicle gene GHD10, which encoded a zinc finger transcription factor, expressed mainly in the developing leaf and panicle. GHD10 regulated the panicle development, increased the branch number and grain number per panicle, then affected the rice yield formation through regulating the gene expression in the floral induction way. We also have screened two alleles GHD10-2 and GHD10-3, which showed significant differences in panicle .To further explore germplasm with excellent panicle traits and increase rice yield potential by improving panicle traits, we will utilize the signature sequence of GHD10 and compare the target sequence of the elite rice germplasm resource to mine the alleles of GHD10, identify the germplasm and evaluate the production efficiency of the alleles of GHD10 with excellent panicle trait in this application. We will parse the morphology and genetic mechanism of panicle utilizing the means such as Molecular Biology and Cell Biology, preliminary clear the molecular mechanism how GHD10 regulate the panicle and yield formation, then improve the rice panicle traits and increase rice yield potential by molecular marker-assisted breeding and gene pyramiding.

优异基因资源的发掘与利用是实现产量突破的基础，而穗部形态特征包括穗粒数、枝梗数、穗长等是决定水稻产量形成的重要因素之一。在前期研究中，我们克隆了一个水稻穗型基因GHD10。该基因编码一个锌指结构转录因子，通过调节成花诱导途径基因表达，调控穗发育，增加一次枝梗数和穗粒数，最终影响水稻产量的形成。我们还筛选到2个等位基因，GHD10-2和GHD10-3，在穗型上表现出明显的差异。为进一步发掘具有优异穗部性状的种质，通过穗部性状的改良来提高水稻增产潜力, 本申请将利用GHD10特征序列，对国内外优异的水稻种质资源的目标序列进行序列比较，挖掘GHD10等位基因，鉴定具有优良穗部性状的GHD10等位基因种质并评价其增产效能；利用分子和细胞生物学等手段解析穗部形态构成及遗传机制，初步明确GHD10调控穗型和产量形成的分子机理，最终通过分子标记辅助育种和基因聚合手段，改良水稻穗部性状，提高水稻增产潜力。

优异基因资源的发掘与利用是实现产量突破的基础，而穗部形态特征包括穗粒数、枝梗数、穗长等是决定水稻产量形成的重要因素之一。如何通过穗部性状的改良，进一步提高水稻增产潜力成为育种家重点关注的问题。在前期研究基础上，我们利用GHD10特征序列，对国内外280份水稻种质资源进行序列比较，鉴定了4个新的GHD10等位基因型，并筛选出在亚种内或区域性品种之间穗部性状表现优良的种质22份。GHD10表达模式分析表明，各等位基因型在幼穗、颖花、枝梗、叶片、茎节间、根等中均能检测到表达量，但是在幼穗、颖花和枝梗中表达量要比其他组织中高，与优良穗部性状表现呈正相关。将增产效应较高的等位基因型GHD10-6的cDNA与GFP融合构建亚细胞定位载体，瞬时表达结果显示，GFP绿色荧光信号在细胞核中富集。GHD10-6基因型过表达分析表明，在ghd10 背景下过表达GHD10 基因或自身启动子驱动GHD10 基因表达，均能使穗长和一次枝梗数目恢复到与WYJ7 无差异，而不影响二次枝梗数目。而在WYJ7 遗传背景下过表达GHD10 基因，能使过表达株系穗长显著增加（17.1 ± 0.5 cm），与ghd10 穗长（17.2 ± 0.7 cm）无差异，而与WYJ7相比差异达显著水平。一次枝梗数目不受GHD10 基因过表达影响，而二次枝梗数目却表现出与穗长相反的趋势：即在WYJ7 背景下过表达GHD10基因，在增加穗长的同时，二次枝梗数目减少。将筛选出的GHD10-5和GHD10-6等位基因，分别与DEP1、Gn1a等基因进行杂交、回交聚合，筛选出不同基因型组合的单株20多份，对不同基因型组合的单株进行穗部表型分析发现，GHD10-6与Gn1a聚合株系比其他基因型组合的穗部性状表现更加优异。根据上述结论，结合GHD10-6基因型序列特征设计的功能性分子标记，将用于水稻穗型分子设计育种研究。