水稻东兰墨米种皮花青素合成关键基因BP3的图位克隆及功能研究

As a class of highly biologically active plant nutrients, anthocyanins accumulate in the pericarp of black rice, which is deeply loved by consumers. However, the genetic and molecular mechanisms underlying the anthocyanin biosynthesis in pericarp of rice remain largely unexplored, restricting the molecular breeding of anthocyanin-rich rice. In the previous study, we detected a new gene, BP3, through genome-wide association study and genetic linkage analysis, which is localized on chromosome 3 and plays a key role for anthocyanin biosynthesis in rice pericarp. Based on the research progress, this project aims to: 1) fine map BP3 to a 25-kb region using the map-based cloning method, and confirm the candidate gene by gene function annotation, the comparative sequencing ananlyses, identification of putative epigenetic variations and comparative expression analysis; 2) verify the biological function of the gene using transgenic experiment, comparative expression, histological section analysis and protein sub-cellular localization experiment; and 3) explore the regulatory network of BP3 gene through differential gene expression analysis of near isogenic lines and transgenic lines. Our findings provided valuable insights into the molecular regulation mechanism of anthocyanin synthesis in rice, and offered a new gene and new ideas for molecular breeding of anthocyanin-rich rice, making good sense in both theory and practice.

花青素是一类生物活性很强的植物营养素，其在水稻的籽粒种皮中积累而形成黑米，深受消费者喜爱。然而，调控水稻种皮花青素生物合成的分子机制仍不甚清楚，制约了富含花青素水稻的分子育种。前期我们利用GWAS和遗传连锁分析在第3染色体上发现一个新的水稻种皮花青素合成关键基因BP3，本项目计划在原有研究基础上，1）利用图位克隆法将BP3基因精细定位到25kb区间内，通过基因注释、比较测序、表观变异鉴定和比较表达等分析确定候选基因；2）通过转基因互补验证、时空表达检测、组织切片分析及亚细胞定位等技术来验证该基因的生物学功能；3）利用RNA-Seq技术对近等基因系、转基因系进行基因差异表达分析，揭示BP3基因的分子调控网络。本项目将增进人们对水稻种皮花青素合成分子调控机制的认识，为水稻营养品质分子育种提供新的基因资源和新的思路，在理论和实践上具有重要意义。

花青素是一类生物活性很强的植物营养素，其在水稻的籽粒种皮中积累而形成黑米，深受消费者喜爱。花青素由MBW蛋白复合物调控一系列结构基因（CHS、CHI、F3H、DFR、ANS和3GT）而合成，随后被转运至细胞的中央液泡。本项目通过GWAS、PCAMP和遗传连锁分析等技术鉴定了10个控制花青素生物合成位点，通过基因注释、比较测序和比较表达等分析确定候选基因，利用CRISPR/Cas9、转基因互补验证、时空表达检测、蛋白亚细胞共定位、酵母双杂交和BiFC等技术剖析了水稻花青素基因OsTTG1，OsTT2，OsMATE12和OsMATE14的生物学功能，利用RNA-seq技术比较分析4个基因与其突变体的差异表达基因，揭示了OsTTG1、OsTT2、OsMATE12和OsMATE14参与调控花青素的分子网络。率先在水稻上创新完成了与本项目直接和间接相关的基础研究。本项目以第一及通讯作者（含共通）发表文章7篇，其中SCI论文5篇（中科院大类学科1区论文3篇，PBJ封面文章1篇），有2篇文章投稿到Frontiers in Plant Science和Molecular Breeding杂志上，有2篇英文文章的初稿已基本撰写完毕，编研专著1部；以第一发明人申请发国家发明专利4件，获授权3件，其中1件专利成果转移；以第一著作权人获计算机软件著作权4项；以第一完成人获得广西科技成果登记15项；以第一培育人获授植物新品种权3个，主要参与育成水稻富含花青素新品种桂黑丝占、晶紫糯166和桂丰黑糯169；获广西农业科学院自然科学奖一等奖1项，广西科技进步奖二等奖1项，广西农业科学院科技进步奖一等奖2项。培养分子遗传学研究学术骨干3名，培养硕士研究生1名；积累了一批水稻复杂性状基因挖掘的关键技术。本项目研究成果将为后续深入研究水稻花青素合成分子调控机制以及促进稻米营养品质育种奠定基础。