水稻产量与品质协同调控的遗传机制

Rice is the staple food for more than half of the world’s population. To meet the challenge of increasing demands in crop production, it is urgent to develop an effective system for breeding high-yield and superior-quality elite varieties by rational design and targeted improvement of complex traits. The breakthrough in molecular design strategy largely depends on the elucidation of molecular mechanisms underlying high-yield and superior-quality traits. However, due to the limited understanding of the synergetic regulatory mechanism underlying grain yield and quality, it is still a challenging problem to solve the mutual restriction between yield and quality in rice breeding. In this proposal, on the basis of our previous studies, we will utilize valuable rice germplasm resources and created new genetic population, integrate genetics, biochemical, cell biology, genomics and computational biology, systematically identify the genes involved in the regulation of yield and quality, explore the mechanisms and genetic network of yield and quality, and clarify the synergistic regulatory mechanisms of grain yield and quality, trying to pave a way for breaking the bottleneck of yield and quality. Furthermore, we will design the ideal combination of excellent genes that contribute to the improvement of both yield and quality through computational biological methods, and breed the new rice varieties with high-yield and superior-quality via molecular design.

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，其产量与品质决定人们的“吃饱”与“吃好”问题。然而，产量与品质性状通常存在相互制约，一般产量高的品种品质较差，而品质优的品种则产量较低。由于目前对于产量与品质协同调控的遗传机制尚不清楚。因此，打破水稻产量与品质的互相制约，培育既高产又优质的水稻新品种仍是亟待解决的难题。该项目将在前期研究的基础上，利用我国近年来的主栽品种、国内外优异地方种质资源及构建的各类遗传群体，通过遗传学、生物化学、细胞生物学、基因组学与计算生物学交叉融合，系统鉴定水稻产量和品质形成的重要基因，解析水稻产量和品质性状形成的遗传调控网络，阐明水稻产量和品质协同调控的分子机制。进而，利用计算生物学设计水稻产量与品质优异等位变异的理想组合，通过分子设计育种聚合优异基因，培育高产优质的水稻新品系，解决产量与品质相互制约的难题。

水稻的产量与品质性状通常存在相互制约，打破产量与品质的相互制约是培育高产优质水稻新品种亟待解决的难题。本项目围绕“水稻产量与品质协同调控的遗传机制”的关键科学问题，在前期工作基础上，通过遗传学、生物化学、细胞生物学、基因组学及计算生物学等方法阐明水稻产量与品质形成的遗传调控途径及分子网络，揭示水稻产量和品质协同调控的遗传机制，探索打破水稻产量和品质相互制约的有效策略，取得了如下重要进展：（1）发现了特异调控水稻穗粒数而对品质没有显著影响的新基因OsREM20，阐明了其特异调控穗粒数的新机制及分子途径，揭示了操纵OsREM20启动子区反向重复序列快速实现粳稻品种产量突破的新策略；（2）鉴定了特异调控水稻品质而不影响产量的关键基因FLO19，揭示了其调控水稻品质形成的分子机制，为稻米淀粉合成调控分子机制解析提供了新思路；（3）解析了LA2通过调控重力感应细胞中的淀粉粒合成影响水稻分蘖角度形成的分子途径，为解析重力感应调控水稻分蘖角度及阐明分蘖角度形成的分子网络奠定了基础；（4）揭示了DEP1介导的分子模块协同调控水稻产量与外观品质的分子机制；（5）利用计算生物学全面发掘整合了控制水稻产量、品质等复杂性状的功能基因及其关键变异位点，构建了迄今最全面的水稻数量性状基因关键功能变异位点图谱，在此基础上开发了水稻版的“地图导航”系统RiceNavi，初步实现了水稻育种的智能化。上述研究成果不仅为水稻的产量与品质改良奠定了理论基础，也为打破水稻产量与品质相互制约提供了有效策略和基因资源。相关研究成果已在Science、Nature Genetics、Molecular Plant等学术期刊发表研究论文共5篇，在Molecular Plant等学术期刊发表综述文章及评论文章共4篇，另有3篇文章在审稿中、2篇文章完成撰写即将投稿。此外，本项目申请专利5项，通过分子设计育种聚合优异基因培育的5个高产优质的水稻新品种及新品系完成成果转化。综上，本项目所取得的研究成果为解决作物生产实践中难以解决的产量与品质相互制约的瓶颈问题提供了有力的支撑。