水稻产量新基因! 中国水稻研究所种质创新课题组揭示水稻籽粒大小遗传调控新机制

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） 。

近20年来的研究表明，水稻粒形和粒重的遗传基础十分复杂，不同品种控制粒形的基因不尽相同，大多都由多基因/QTL控制。目前，已检测到近100个与粒宽相关的QTL分布在水稻的12条染色体上。中国水稻研究所种质创新课题组 （张光恒等, 2004） 曾在水稻第1、2、3、6、8 和12号染色体上检测到9个粒宽相关QTL。此后，精细定位和分子克隆的粒宽QTL 逐渐增多。上海植生所林鸿宣研究组 （Song等, 2007） 通过图位克隆法分离了控制粒宽和粒重的QTL—GW2，其编码一RING型的E3泛素连接酶，通过将底物输送到蛋白酶体降解来负调控细胞分裂。南京农业大学万建民实验室 （Liu等，2017） 和中科院遗传发育研究所的李云海实验室 （Duan等, 2017） 几乎同时克隆了粒宽和粒重的主效QTL—GW5 （GSE5） 。华中农业大学张启发实验室克隆了控制粒长和粒重的主效QTL—GS3和控制粒宽、结实率和粒重的主效QTL—GS5。GS3基因编码含植物特有调节器官大小结构域的跨膜蛋白，为负调控因子 （Mao等, 2010） ；GS5基因编码属于肽酶S10家族的丝氨酸羧肽酶，是谷粒大小的正调控因子，因此在粒形调控高产育种中的应用前景较大 （Li等, 2011） 。中国水稻研究所种质创新课题组与中科院遗传发育研究所等单位合作 （Hu等, 2015） 成功克隆了显著提高水稻产量的粒形基因GS2，该基因编码了水稻生长调控因子OsGRF4；其在93-11背景的近等基因系与培矮64s配成杂交稻后，可比对照超级稻品种“两优培九”增产9.5%。中科院遗传发育研究所傅向东课题组 （Wang等, 2012; Wang S等, 2015） 分离了控制粒宽和粒重的编码类SQUAMOSA启动子结合蛋白16 （OsSPL16） 的GW8基因和编码TONNEAU1募集基序蛋白的GW7基因。后者与中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室克隆的粒长调控基因GL7等位 （Wang Y等, 2015） 。GW8转录因子可直接结合GW7的启动子，从而抑制其表达使粒宽增加。在此基础上，提出了通过操纵GW8-GW7模块提高稻米产量和品质的新途径。

至今，虽然已克隆了一些控制水稻籽粒大小的重要基因/QTL，但水稻粒形和粒重调控的分子机理仍不清楚。水稻育种家们利用籽粒大小的自然变异来改良水稻产量和品质，但只有少数几个粒形调控基因的等位变异能被广泛利用。

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BC 4 F 2 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

阮班普, 田福宽, 马伯军, 高振宇. (2013) 水稻粒重的遗传与分子生物学研究进展.中国稻米19(6):17-20,22.

张光恒, 张国平, 钱前, 徐律平, 曾大力, 滕胜等. (2004) 不同环境条件下稻谷粒形数量性状的QTL分析.中国水稻科学18(1):16-22.

Duan P, Xu J, Zeng D, Zhang B, Geng M, Zhang G et al. (2017) Natural variation in the promoter of GSE5 contributes to grain size diversity in rice.Mol Plant10:685-694.

Gao ZY, Zhao SC, He WM, Guo LB, Peng YL, Wang JJ et al. (2013) Dissecting yield-associated loci in super hybrid rice by resequencing recombinant inbred lines and improving parental genome sequences.Proc Natl Acad Sci USA110:14492-14497.

Hu J, Wang Y, Fang Y, Zeng L, Xu J, Yu H, et al. (2015) A Rare Allele of GS2 Enhances Grain Size and Grain Yield in Rice.Mol Plant8:1455-1465.

Li N, Xu R, Duan P, Li Y (2018) Control of grain size in rice.Plant Reprod31:237-251.

Li Y, Fan C, Xing Y, Jiang Y, Luo L, Sun L et al. (2011) Natural variation in GS5 plays an important role in regulating grain size and yield in rice.Nat Genet43:1266-1269.

Liu J, Chen J, Zheng X, Wu F, Lin Q, Heng Y et al. (2017) GW5 acts in the brassinosteroid signalling pathway to regulate grain width and weight in rice.Nat Plants3:17043.

Mao H, Sun S, Yao J, Wang C, Yu S, Xu C et al. (2010) Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice.Proc Natl Acad Sci USA107:19579-19584.

Song XJ, Huang W, Shi M, Zhu MZ, Lin HX. (2007) A QTL for rice grain width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase.Nat Genet39:623-630.

Xing Y, Zhang Q. (2010) Genetic and molecular bases of rice yield.Annu Rev Plant Biol61:421-442.

Wang S, Li S, Liu Q, Wu K, Zhang J, Wang S et al. (2015) The OsSPL16-GW7 regulatory module determines grain shape and simultaneously improves rice yield and grain quality.Nat Genet47:949-954.

Wang S, Wu K, Yuan Q, Liu X, Liu Z, Lin X et al. (2012) Control of grain size, shape and quality by OsSPL16 in rice.Nat Genet44:950-954.

Wang W, Mauleon R, Hu Z, Chebotarov D, Tai S, Wu Z et al. (2018) Genomic variation in 3010 diverse accessions of Asian cultivated rice.Nature557:43-49.

Wang Y, Xiong G, Hu J, Jiang L, Yu H, Xu J et al. (2015) Copy number variation at the GL7 locus contributes to grain size diversity in rice.Nat Genet47:944-948.

Wu W, Liu X, Wang M, Meyer RS, Luo X, Ndjiondjop MN et al. (2017) A single-nucleotide polymorphism causes smaller grain size and loss of seed shattering during African rice domestication.Nat Plants3:17064.

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.16540