控制水稻株高和每穗颖花数的多效性QTL qGph3的克隆和功能解析

Spikelets per panicle and plant height are closely correlated with rice yield. qGph3, a pleiotropic QTL controlling rice plant height and spikelets per panicle was mapped on the long arm end of chromosome 3 using a recombination inbred line population derived from the cross between 02428 and Teqing, and then qGph3 was fine mapped in 30 kb region. In the study, The candidate gene will be identified and validated by comparative sequencing and functional complementation test. QRT-PCR will be used to reveal the temporal and spatial expression patterns of the gene, and determine the expression relationship between qGph3 and the other cloned yield-related genes. Genes regulated by qGph3 were screened by cDNA chip array. Proteins interacting with qGph3 will be fished out by yeast-two hybrid system. The effects of phytohormone especially GA and BR on qGph3 function are to be assayed. Finally we try to elucidate the molecular mechanism of the pathway qGph3 involved. In addition, nucleotide diversity of qGph3 will be analyzed by comparative sequencing Chinese rice mini-core collection and wild rice. The desirable alleles of qGph3 for rice genetic improvement will be identifed by association analysis.

每穗颖花数和株高是与水稻产量密切相关的两个性状。在以02428为轮回亲本,特青为供体亲本构建的近等基因系群体中，在第三染色体长臂末端定位到了一个同时影响株高和每穗颖花数的QTL，命名为qGph3。采用图位克隆方法把qGph3精细定位在30 kb区间内。本申请在此基础上，通过生物信息学结合比较测序确定候选基因；运用转基因技术完成功能互补验证，分离该基因；利用QRT-PCR技术揭示该基因的时空表达特征，并研究它与水稻中已克隆的其他相关基因的表达关系；用芯片杂交技术和酵母双杂交技术，初步确定受qGph3调控的基因和与qGph3互作的蛋白；分析植物激素特别是赤霉素和油菜素内酯对qGph3的影响，阐明qGph3的作用机理；对我国水稻微核心种质和野生稻材料进行比较测序，分析qGph3的核苷酸多样性，通过关联分析鉴定出在生产上有利用价值的等位基因。

籼稻特青和粳稻02428是重要的高产常规稻，通过这两亲本杂交构建群体，发掘产量相关基因，具有重要的意义。重组自交系的定位结果表明在第3染色体长臂末端有一个效应较大的株高QTL，运用回交的方法构建了02428背景特青片段导入的近等基因系。对近等基因系产量相关性状进行考察，发现02428等位基因不仅增加株高，还可以增加每穗颖花数和产量，所以命名为qGph3（Grain number and Plant Height 3）。我们运用近等基因系大群体F2对株高性状进行定位，并通过转基因的方法最终验证OsGA20ox1就是qPh3，该基因只增加株高而对产量没有影响。近等基因系的表达量分析发现，02428等位基因型具有比特青更高的OsGA20ox1表达量。近等基因系和转基因苗期植株内源GAs含量测定表明，02428和转基因阳性植株具有更高的活性GAs浓度，这可以解释02428近等基因系具有更高的株高。针对株高性状对OsGA20ox1的关联分析和单倍型分析，发现启动子区域的SNP具有较高的关联P值，这可以解释特青中该基因启动子中SNP差异导致了表达量降低。而单倍型分析发现02428等粳稻主要是Hap 2单倍型，而特青等籼稻主要分为其他单倍型，且株高与Hap 2存在显著的差异。通过对OsGA20ox1上下游50-kb区段核苷酸多样性分析，发现粳稻中OsGA20ox1所在染色体区段受到显著的负向选择。综上所述，qPh3编码OsGA20ox1蛋白， 02428近等基因系中通过提高OsGA20ox1表达量，内源活性GAs含量得到提升，从而增加水稻株高，并且qPh3在粳稻的育种过程中受到显著的负向选择。.近等基因系中qGph3能增加株高和每穗颖花数，而qPh3转基因家系并不具有每穗颖花数增加的效应，这就暗示在近等基因系中还存在一个控制每穗颖花数的QTL，这一发现为下一步发掘新的基因提供了良好地线索。为了进一步定位控制每穗颖花数的基因qSPP3，我们通过回交的方法使qPh3纯合，并发展了大群体对qSPP3进行定位，为qSPP3的克隆奠定了坚实的基础。 .本研究的结果对理解水稻株高的形成具有重要的意义，同时多效性的产量位点qGph3对水稻品种改良具有重要作用。