水稻穗发育和产量性状基因的克隆及其调控途径研究

Panicle development is associated with grain yield and quality in rice which involves complex biological processes, including shoot apical meristem activity, lateral organ development, and maintenance of characteristics. Some important genes controlling panicle development have recently been identified in rice, however, their regulatory networks still remain unknown. Our group has previously cloned two key genes, PROG1 and OsLG1, regulating the domestication of plant architecture, panicle architecture and yield-related traits in rice. The aim of the proposed study is (1) to induce introgression lines harboring PROG1 or OsLG1 by EMS treatment and select mutants in panicle development; (2) to isolate genes related to panicle development and yield using forward genetics approach; and (3) analyze its relationship with PROG1, OsLG1 and other yield related genes, reveal the genetic regulatory network of these genes, and explore their potential application. The results of the study will not only shed light on the regulatory network of rice panicle development, but also provide novel genes for rice improvement.

水稻穗发育与产量和品质密切相关，其发育过程涉及顶端分生组成活性、侧生器官发育及其特性的维持等复杂的生物学基本问题。近年来已成功克隆了多个控制水稻穗发育的重要基因，但是其遗传调控网络尚不清楚。本项目拟在前期克隆控制水稻株型、穗型及产量性状进化基因PROG1和OsLG1的基础上，通过EMS诱变携带PROG1或OsLG1基因的野生稻渗入系，筛选穗发育相关突变体，利用正向遗传学方法，分离控制穗发育及产量性状的新基因，分析其与PROG1、OsLG1及其他产量性状基因的遗传互作关系，揭示其参与的遗传调控网络，并探索这些基因的生产应用潜力。本项目研究结果不仅为解析水稻穗发育及产量性状遗传调控网络这一重要科学问题提供参考，而且将为水稻产量性状的分子改良提供新的基因。

叶型、穗型和粒型是影响水稻产量的重要农艺性状。本项目通过EMS诱变野生稻渗入系，构建突变体库，筛选出1个枝梗簇生突变体cpb1（clustered primary branch 1）和1个叶片窄而卷、结实率下降、籽粒形态发生显著变化的突变体nrl2（narrow and rolled leaf 2）。采用图位克隆策略，成功分离CPB1基因和NRL2基因。（1）CPB1基因编码一个细胞色素P450蛋白，参与油菜素内酯的合成。在突变体cpb1背景下过表达CPB1基因可恢复正常的穗型和株高，也导致叶夹角和籽粒大小的增加。进一步利用穗部特异启动子驱动CPB1基因的表达，其转基因植株能够在不影响受体亲本优良农艺性状的条件下，显著提高籽粒大小和单株产量。研究结果不仅证明了CPB1基因特异位点突变能够影响水稻穗型和籽粒发育，而且发现利用穗部特异启动子操控CPB1基因的表达有望应用于水稻高产分子育种。（2）NRL2基因编码一个未知功能蛋白。该基因突变导致叶脉数减少、远轴端厚壁组织细胞分化异常、绒毡层退化和小孢子发育异常以及更细长的籽粒。酵母双杂交实验表明，NRL2和RL14存在蛋白互作。与突变体rl14相似，突变体nrl2叶片中的纤维素含量提高而木质素含量降低。进一步测量苯丙氨酸代谢产物发现，肉桂醇、杨梅素和二氢山奈酚的含量在nrl2突变体和nrl2/rl14双突中的含量显著降低。由此推测，NRL2基因可能通过参与苯丙氨酸代谢，影响木质素、类黄酮等次生代谢产物的含量，进而调控水稻叶片发育与雄性育性。研究结果表明NRL2基因参与了水稻营养生长和生殖生长阶段多个重要性状的发育调控，可能是一个基本发育的调节因子，并可作为一个潜在的高产水稻育种目标。