基于特大粒水稻对4个粒型控制基因的克隆与功能分析

The grain shape was an important factor to effect rice yield. More attention has been paid to exploitation grain shape genes. Many QTL/genes controlling grain shape have been detected，but only four genes（GW2, GS3, GS5 and GW5） were cloned. Previous studies limited to a single gene cloning and functional analysis. The functions of the same gene in different genetic backgrounds should be different, making it difficult to compare their functions between different shape genes. So far there is no report on comparison of the functions between four cloned shape genes under same genetic background. We detected the four grain shape genes, GW2,GS3,GS5 and GW5 in a same RIL population derived from the hybrid between TD70 (single grain weight was 80mg) and Kasalath. It provided a perfect material for studying the role of different grain shape genes in the same genetic background. Sequence analysis found that the nucleotide order was different between the four cloned genes and four QTLs detected by us. The purpose of the present study is to analyze the effect and then to clarify the genetic mechanism of grain shape genes by cloning and functional analysis of the four genes,so as to laying on the foundation of molecular design breeding for high yielding.

粒型是决定水稻产量的重要因素，对粒型相关基因的发掘和利用一直倍受重视。定位了许多控制粒型的QTL/基因，但仅克隆了GW2、GS3、GS5和GW5 4个粒型基因。以往研究局限于单一基因的克隆和功能分析，同一基因在不同遗传背景下的作用不尽相同，因而难以比较不同粒型基因作用的大小。迄今尚无对4个已克隆的粒型基因的作用在同一遗传背景下进行比较的报道。申请者在特大粒粳稻亲本TD70与小粒籼稻Kasalath构建的RIL群体中同时定位到了已克隆的4个粒型基因GW2、GS3、GS5和GW5，为在同一遗传背景下比较不同粒型基因作用的大小提供了绝好的材料。序列分析发现，申请者定位的4个粒型QTL与已克隆的4个粒型基因有很大差异。本项目拟通过对4个粒型基因的克隆和功能验证，分析各基因效应的大小，系统解析控制水稻粒型基因的遗传机制，为水稻高产分子设计育种奠定基础。

明确不同粒型基因的遗传效应，对水稻分子设计育种有重要指导意义。同一遗传背景下比较不同粒型基因的效应更能体现基因的实际贡献。本研究以TD70和Kasalath为背景材料，分别对GW2、GS3和GS5基因进行了反义和超表达载体的构建和转化，12个载体的转基因材料除了GS3T转入Kasalath表型不明显外，其余11个转化事件均产生了表型变异，明确了在同一背景下，GW2基因对粒重的贡献最大，其次为GS3基因，最后为GS5基因；基因序列分析表明GW2基因第4外显子单碱基缺失和qGL3基因第十外显子SNP为稀有功能突变，都造成粒宽或粒长显著增加；GW8、GS5基因序列变异和粒型表型之间没有相关性；GS3基因第2外显子SNP是导致粒型变长的功能突变型，GS3第1内含子3个长片段的缺失与粒长也有相关性；开发了7个粒型基因（GW2、GS3、qSW5、qGL3、GS5、GW8和TGW6）的分子标记，并比较了不同基因间的遗传效应，7个基因对千粒重的贡献大小依次为：qgl3>gw2>gs3>GS5>qsw5>GW8>TGW6，证实qgl3，gw2和gs3是3个调控粒型和粒重的主效基因；3个主效基因的互作分析表明，3基因组合效应最大，其次为双基因组合（gw2-qgl3>gw2-gs3>gs3-qgl3），最后为单基因型，证实粒型基因间存在互作效应。本研究系统解析了控制水稻粒型基因的遗传作用。