水稻团队水稻穗型与产量基因表达调控研究获新突破

  • 日期:01-13
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南湖网讯(通讯员白旭峰)10月31日,自然植物以文章形式发表了由国家作物遗传改良重点实验室/生物科学院邢永忠教授团队撰写的最新研究成果《FZP上游消音器的复制提高水稻产量》。该结果在水稻增产育种领域具有广阔的应用前景。白旭峰博士是本研究论文的第一作者。

基因表达调控是最重要的生物学现象之一,许多重要的农艺性状受基因表达调控。据报道,基因表达调控元件如“增强子”存在于玉米、水稻和拟南芥等植物中。然而,“消音器”在植物中很少被报道。我们的研究组在水稻重要的穗发育基因FZP起始密码子上游5.3 kb处发现了一个沉默子(18-bp的脱氧核糖核酸序列),它的拷贝数变异调节FZP基因的表达,影响水稻每穗小穗数和1000粒重/粒形,进而调节产量。进一步研究发现转录因子OsBZR1可以结合消音器抑制下游基因FZP的表达,从而提高产量。

我们的团队利用粒形差异很大的水稻亲本川7和豪博卡构建的重组自交系群体,在7号染色体末端定位QTL(2010,BMC Genet),同时控制每穗小穗数、千粒重和粒长。研究人员通过精细定位将QTL限制在17.8 kb的区域,发现该区域与上述三个性状完全分离,并且该区域仅包含两个候选基因。研究人员分别对这两个候选基因进行了转基因或突变验证,但未能证明它们是候选基因。通过对这段时间内亲本序列的进一步分析,研究人员发现有一个18-bp的插入/缺失位点,位于穗发育基因FZP的上游,很可能参与FZP表达的调控。研究人员克隆了FZP基因序列和整个上游含5.3 kb的5.3 kb脱氧核糖核酸序列,并进行了遗传互补转化验证,证实候选基因为FZP,功能位点为18bp多态性位点。18-bp序列可能是一个消音器,抑制FZP下游的表达。FZP是一个重要的发育基因。其功能的缺乏导致小花发育受阻,无法产生正常的种子。该研究小组先前的研究发现,FZP的编码序列在自然资源中没有蛋白质功能变异(2016年,SREP)。自然界中FZP表达可能存在变异,可能受这18-bp的调控。

这种抑制是如何实现的?它的分子调控机制是什么?这是研究人员面临的另一个科学问题。研究人员还通过对18-bp序列的基序结构分析尝试酵母筛选文库,并查阅文献。最后得出结论,OsBZR1可能是消声器的结合靶蛋白。此外,通过一系列实验证实了它们之间的相互作用,并进一步证实了OsBZR1通过结合沉默子对下游报道基因的转录抑制功能。两份消声器降低了FZP的表达,显著增加了穗粒数,略微降低了千粒重,但稻米垩白率和垩白度显著降低,改善了稻米蒸煮品质,显著提高了产量。几组近等基因系和RNAi转基因材料的产量数据表明,沉默子通过抑制FZP表达使水稻单株产量提高了15%以上,但不影响开花期。这不同于小组先前克隆的Ghd系列基因,Ghd系列基因增加产量但延长开花期。

消音器有潜力提高产量和稻米质量。它在水稻育种中使用得好吗?研究人员通过对世界上529份核心水稻种质材料的测序和分析发现,18bp的插入只发生在东南亚的一些澳新品种中,表明该突变源于澳新品种,尚未应用于中国的主流高产品种。因此,该等位基因在我国的增产育种中具有很高的应用前景。

论文第一作者,副研究员白旭峰,从硕士开始从事水稻穗状和粒形基因的克隆和基因调控网络的分析已有11年