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近日,中国水稻研究所种质创新课题组与中国农科院农业基因组研究所合作在New Phytologist在线发表了题为Natural variation in the promoter of TGW2 determines grain width and weight in rice 的研究论文。该研究克隆了一个新的控制水稻粒宽和粒重的QTL/基因并开展了功能分析,为阐明水稻粒形的遗传调控机制和培育高产水稻的分子育种奠定了基础。水稻是人类主要的粮食作物之一,现今世界1/2以上的人口以大米作为主食。我国是稻米消费大国,近60%的人口以大米作为主食。随着人口的增长,耕地面积的下降,如何增加水稻产量直接关系到国家的粮食安全和社会的稳定发展。水稻产量主要由三个要素决定,即有效穗数、每穗实粒数和粒重(Xing和 Zhang, 2010)。水稻粒形包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比,前三者与千粒重密切相关,同时还影响稻米的外观品质和商品价值(阮班普等, 2013)。此外,粒形在进化中易被选择,也是研究水稻进化和驯化的重要性状之一(Li等, 2018)。
中国水稻研究所种质创新课题组在前期利用“两优培九”的重组自交系进行了基因组重测序,成功构建了一张超高分辨率的遗传连锁图谱(Gao等, 2013)。在此基础上检测到3个粒宽主效QTL和2个粒重主效QTL,并采用超级杂交稻亲本培矮64s与93-11的大规模BC4F2群体,精细定位和图位克隆了一新的控制稻谷粒宽和粒重的主效QTL——qTGW2。TGW2基因编码细胞数目调控因子OsCNR1,培矮64s等位型基因在孕穗期颖壳中的转录表达水平显著高于93-11等位型,颖壳细胞数目显著减少。课题组成员利用大量不同粒形水稻品种的表型和基因序列的关联分析结合启动子荧光素酶活性实验,确定了基因启动子区引起表达差异的关键位点。过表达和基因敲除实验验证了TGW2基因的功能,并且TGW2蛋白与调控细胞周期的KRP1蛋白存在互作,负向调节水稻粒宽和粒重。将93-11等位型的tgw2导入培矮64s背景,产量可提高12.3%而不影响其他农艺性状(图1)。
图1. 近等基因系的表型及产量 对具有广泛代表性的2866份水稻种质资源(Wang等, 2018)进行的序列分析发现,TGW2基因的启动子内关键位点为培矮64s等位型的多属于aus稻。由于aus稻起源于印度中部和孟加拉国(Wu等, 2017),推测该等位型最初出现在印度和/或孟加拉国,随后传播至邻国。进一步对141份水稻品种的分析揭示该基因受到了育种驯化选择(图2)。
该研究不仅有利于揭示水稻乃至禾本科作物籽粒大小的遗传调控机制,而且为水稻的高产优质育种提供了新的基因资源,可加快在超级稻育种中的应用。
图2. TGW2基因的等位型地理分布和进化分析
中国水稻研究所国家重点实验室的阮班普博士后和中国农科院农业基因组研究所的商连光博士为论文并列第一作者,中国水稻研究所高振宇研究员和钱前研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
参考文献
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论文链接:https://doi.org/10.1111/nph.16540来源:bioartplants BioArt植物
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