水稻小粒基因Sg3(t)的克隆、功能研究及育种利用

Grain size, which determines both grain yield and quality, is one of the most important agronomic trait in rice, and it is the research hotspots for genetics and breeding of rice in recent years. By the rising of costs in hybrid rice seed production, the prize of hybrid rice seed creases quickly. In order to solve this problem, the project focus on the cloning, functional research and utilization of a small grain gene in Rice. ZH-sg is a mutant form rice variety Zhonghua11, and the genetic analysis indicates that this material is controlled by a recessive gene. Compared to other small grain rice varieties, it doesn't have other attached poor agronomic traits. By map-based cloning and re-sequencing, expression analysis, and screening of interacting proteins, we will finish the cloning, functional research and breeding usage of the small grain gene Sg3(t). Finally breed the male sterile rice lines with small grains, and take out utilization in rice seed production. The project will reduce the burden of farmers to purchase rice hybrid seed, and reduce the costs of seed companies. It will have a very important significance for increasing the rice production efficiency.

水稻粒形作为重要的农艺性状，同时影响水稻产量和品质，是水稻遗传育种研究的热点。本项目针对近年来杂交稻制种成本增加，杂交种价格不断攀升的问题，开展水稻小粒基因的发掘、克隆和育种利用。通过对一份来自中花11的水稻小粒突变体ZH-sg的遗传特性鉴定表明，该材料受一个隐性基因控制，与其他水稻小粒基因相比，具有无附带不良农艺性状的特性。进一步通过图位克隆和重测序预测基因、表达特性分析和互作蛋白筛选等方法，开展该小粒基因Sg3(t)的克隆、功能研究和育种利用，探讨该基因在粒形调控网络中作用和分子调控机制。最终培育水稻小粒不育系，进行制种开发，对于减轻农民购种负担，降低种子公司制种成本，提高水稻生产效率将具有十分重要的意义。

水稻籽粒的发育和形成的分子机制是水稻高产和优质育种的关键性状，而遗传调控网络的解析是该性状改良的重要基础。同时随着杂交水稻在我国的成功推广，杂交稻种子生产成本逐年升高，如何降低杂交种制种成本、提高制种效率，达到节本增效，减轻农民购种负担，也是一个急需解决的问题。本项目的研究材料小粒大穗突变体Sg3整体表现为粒长、粒宽和粒厚显著变小，千粒重显著下降，但每穗粒数显著增加，株高和结实率等性状与野生型中花11相仿。我们在前期267 kb定位的基础上，利用图位克隆、分子克隆和转基因技术克隆了Sg3基因，该基因包含3个外显子，编码一个具有组蛋白乙酰转移酶活性的GCN5相关N端乙酰转移酶相似蛋白。通过内外颖壳扫描鉴定结果我们发现，Sg3的细胞长度和宽度均显著低于对照ZH11，细胞数目并没有发生显著变化，主要是通过细胞的扩张，而非细胞数目，最终产生籽粒表型的变化。GUS染色和GFP荧光定位结果表明，Sg3主要在植株穗及小花等器官的组织表达，且在幼穗前期表达明显；亚细胞胞定位结果表明Sg3在主要在细胞膜上表达。同时利用小粒大穗基因Sg3、细长粒基因GL7和自然大粒基因GS2构筑“小粒母本”与“大粒父本”配组的杂交水稻，探索提高杂交稻制种产效率的新体系。目前已培育出携带Sg3和GL7基因的三系不育系“中巧A”、两系不育系“细内S”和携带GS2基因的恢复系“大华占”等，相关组合已完成配组并完成产量比较试验，混播混制和机械化分选的技术正在试验中。本研究结果为进一步研究Sg3在构建小母大父-机械分选上提供了遗传学和细胞学证据，为探索提高杂交稻制种产效率的新体系和水稻新品种提供了育种材料和理论基础。