水稻粒型新基因克隆及其遗传网络解析

Grain size determines grain weight, thus grain yield in rice. However, understanding of regulatory network(s) between genes controlling grain size is far limited. In this proposal, we plan to investigate regulatory network(s) of our newly isolated as well as some known grain size genes, and evaluate stacks between them for improvement of rice grain production. Previously we have cloned 4 genes - GW5, SLG, OsUCH and FUWA, a calmodulin binding protein, a BAHD acyltransferase-Like protein, an ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase family protein and a NHL domain containing protein, respectively. Our preliminary study shows interaction of GW5with OsGSK7, a BIN2 homolog, suggesting involvement of GW5 in the BR signaling pathway. We will also investigate possible involvement of other genes such as GS3、OsBSU1、OsBSK1 and OsBKI1, in BR signaling and their role in grain size control. OsUCH is adjacent to GW2, with both of them being related to ubiquitination. We will use various methods, such as yeast two hybrid screening, RNA-seq, Pull-down, over-expression and DNA editing, to elucidate the regulatory network of SLG, OsUCH and FUWA. We will create various stacks between grain size genes by MAS or transgenic strategy and understand effect of such gene combinations on grain size and quality as well as other agronomic traits. Finally, we will combine and analyze all our results and propose a regulatory network model, thus providing useful information for molecular design of high-yield breeding in rice.

水稻粒型和千粒重直接相关，是影响产量的关键性状之一。本项目拟通过克隆粒型相关基因，研究它们的遗传调控网络及其育种利用价值。作为研究基础，我们已经克隆了4个粒型基因。转基因实验证明GW5为一个编码钙调蛋白的基因；SLG编码一个酰基转移酶，过表达会使籽粒变长；OsUCH与泛素化有关，FUWA编码一个未知功能蛋白。进一步研究发现，GW5和BR信号转导途径OsGSK7互作。本项目中，我们计划开展以下研究： 1）详细解析GW5的调控网络；2）研究GS3、OsBSU1、OsBSK1及OsBKI1等在油菜素内酯信号转导中的作用及对粒型发育的协同调控；3）研究SLG、OsUCH和FUWA的功能及其参与的调控网络；4）聚合粒型基因，并评价这些聚合材料的应用价值。在此基础上，提出调控粒型发育的基因互作与遗传网络模型，为分子育种提供技术支撑。

水稻是重要的粮食作物，世界上一半以上的人口以稻米为主食。随着耕地的减少、人口的增多以及气候的变化，提高水稻的产量对解决未来全球的粮食安全问题具有十分重要的战略意义。谷粒重量是决定水稻产量的重要性状，主要受粒型影响。同时，粒型对水稻的市场价值也有重要影响，在栽培稻人工驯化过程中，粒型一直为一个重要的参考指标。克隆水稻粒型关键基因，解析其遗传调控机理是水稻分子生物学家的一项重要研究内容。目前，已发现并克隆了多个与水稻粒型和粒重相关的QTL/基因。然而，对这些已克隆的粒型相关基因的分子调控机理及遗传调控网络的研究仍处于片段化阶段。挖掘新的粒型相关基因并对其功能进行剖析显得尤为重要。.GW5/qSW5为较早报道的控制水稻粒宽、粒重且效应较强的QTL，存在于宽粒品种中的1；212 bp缺失与粒宽性状关联，在水稻人工驯化过程中已被广泛应用以增加水稻产量。报道称转化kasalath包含该缺失的11.2 kb基因组片段到日本晴中，能够成功互补窄粒表型。然而，前人研究未报道qSW5或GW5的cDNA过表达验证实验。GW5/qSW5确切基因仍待进一步探讨。.本研究在前人研究的基础上，进一步明确了GW5/qSW5的候选基因。同时提供了充分的实验数据进行验证。此外，我们还对GW5基因的分子机理及调控网络进行了剖析。GW5基因编码一个钙调蛋白，以一种新颖的模式参与到BR信号传导途径来调控粒型。遗传上处在BRI1下游和GSK2上游。主要研究结果如下：.1、通过对来源于kasalath品种能够成功互补窄粒表型的11.2 kb区间重新进行基因的预测显示，该区间内存在三个预测基因，这与Shomura 等报道一致。而RT-PCR和RACE扩增仅扩增到ORF3 （LOC_Os05g09520） 的转录本。为了验证GW5/qSW5的确切候选基因，我们将来源于kasalath品种包含不同ORF的基因组片段转化到日本晴中，同时在日本晴中分别过表达了ORF1，ORF2，ORF3及ORF3m的cDNA，结果显示，只有转化包含ORF3的基因组片段及过表达ORF3的cDNA能够成功互补窄粒表型，而转化同时含有ORF1和ORF2的基因组片段以及过表达ORF1，ORF2及ORF3m cDNA的植株籽粒没有明显变化。此外，我们利用CRISPR技术将kasalath品种中ORF3基因突变后，突变植株呈现籽粒变宽粒重增加的表型