水稻幼苗苗长杂种优势调控基因的鉴定研究

Heterosis is ubiquitous in nature, and the identification of heterosis-regulating genes is significant in revealing the mechanisms of heterosis. Currently, genes including SFT and CNR2 have been found to be directly involved in regulation of yield heterosis in tomato and maize. However, there is no heterosis-regulating gene reported in rice yet. Here, we will identify heterosis-regulating genes for seedling length basing on genetic information from phenotypic, transcriptional and metabolic levels in rice. Differential expression genes (DEG) and differential metabolites (DM) will be analyzed among F1 hybrids versus corresponding parents and between F1 hybrids with different levels of heterosis. After validating the result with DEG and DM which are analyzed from dynamic heterosis, qRT-PCR will be used to validate the expression levels and to determine candidate heterosis-regulating genes. Whether these candidate genes were dominant or recessive will be confirmed in Japonica cultivars and ectopic expression of these genes will be performed with gene editing or over-expression methods. Then cross the T1 homozygous positive transgenic plants with corresponding wild types and estimate heterosis of seedling length. Finally, the right heterosis-regulating genes will be determined according to phenotypes. This study will provide more direct molecular proofs for the generating mechanisms of heterosis in rice, and lay the foundation for revealing the genetic basis of heterosis in other important agronomic traits (grain yield, etc.).

杂种优势现象在自然界中普遍存在，鉴定杂种优势调控基因对阐明杂种优势的分子机理具有重要意义。目前在番茄和玉米中已发现有SFT和CNR2等基因直接参与调控产量的杂种优势，然而在水稻中还没有杂种优势调控基因的报道。本项目拟以水稻幼苗为实验材料，联合表型-转录-代谢三个水平的遗传信息，先分析出F1杂交后代和亲本之间、不同水平杂种优势F1之间的差异表达基因和代谢分子。随后利用同一杂交组合中与动态杂种优势相关的基因和代谢分子信息进行初步验证，并结合qRT-PCR结果选定候选杂种优势调控基因。紧接着确定候选基因在常规粳稻中的显隐性关系，采用基因编辑或过表达技术异位表达候选基因，自交纯合后与对应野生型杂交，评估F1的幼苗苗长杂种优势，最终得到正确的杂种优势调控基因。从而为水稻杂种优势的产生机理初步提供更为直观的分子证据，也为后续揭示其他重要农艺性状（如产量等）的杂种优势机理奠定基础。

鉴定杂种优势调控基因和代谢分子，对揭示杂种优势分子机理，以及充分应用杂种优势这一自然界普遍存在的自然现象具有重要意义。在青年科学基金“水稻幼苗苗长杂种优势调控基因的鉴定研究”的资助下，本项目围绕水稻幼苗苗长杂种优势分子机理和水稻重要农艺性状杂种优势利用开展了研究工作。首先分析了不同发育阶段下F1杂交后代的转录和代谢水平的分子变化，鉴定了与苗长杂种优势存在紧密联系的基因和代谢分子，并将基因和代谢分子整合为分子模块，对具有高、低和无苗长杂种优势的个体进行了准确划分。紧接着基于亲本和F1杂交后代转录和代谢水平遗传模式的结果，对以产量为核心的复合农艺性状进行了剖析，绘制了包括营养性状和生殖性状在内的六个性状杂种优势的代谢组学景观，开发了代谢通路水平生物标志物，并对来自于不同环境、不同群体F1杂交后代杂种优势的预测进行了探索。随后，为了提高产量杂种优势的预测能力，对预测模型进行了更为深入的解析，分别从群体结构和预测变量的角度，优化了预测模型，并提高了预测能力。截止目前以第一作者身份发表学术论文两篇，其中生物学一区杂志Plant Physiology和EMBO旗下生物学杂志Life Science Alliance各一篇。简言之，本项目准确鉴定了幼苗苗长的杂种优势调控基因和代谢分子，绘制了复杂农艺性状的代谢组学景观，并优化了复杂表型的预测模型。上述发现，对于解析水稻产量杂种优势分子机理，提供了全新的分析策略，也为充分利用水稻产量杂种优势，提高高产、稳产杂交水稻的选育效率，给予了理论指导。