上海生科院揭示水稻籽粒大小調控機制

　　中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所國家基因研究中心團隊在水稻控制籽粒大小的分子機制研究方面取得重要進展。他們經過多年的努力成功克隆和鑒定了一個控制水稻粒長與千粒重的關鍵基因GLW7，并深入研究了其分子機理及在水稻遺傳改良中的作用，相關研究論文于3月7日在線發表在Nature Genetics（《自然·遺傳學》）上。

　　水稻經過長期的自然選擇和人工馴化，形成了適應不同地域栽培的優良品種，在這些豐富多樣的品種中蘊涵著許多重要的農藝性狀基因。世界上的栽培稻主要是亞洲栽培稻，而亞洲栽培稻又被分為粳稻與秈稻兩個亞種。秈稻比較適于生長在高溫、強光和多濕的熱帶及亞熱帶地區，而大部分粳稻品種比較適于生長在氣候暖和的溫帶，也有一部分品種適于種植在亞熱帶或熱帶地區。因此粳稻又可以分為溫帶粳稻(Temperate japonica)和熱帶粳稻（Tropical japonica，又稱爪哇稻）。熱帶粳稻與溫帶粳稻在粒型、穗型、株型等方面有很大差異。典型的秈稻籽粒為長粒型，典型的粳稻籽粒為短、圓型，而熱帶粳稻的籽粒通常是大粒型（即粒長與秈稻相似，但子粒的重量更重一些）。水稻籽粒的大小是影響產量和品質的重要因素，之前，控制熱帶粳稻和溫帶粳稻品種間這一典型籽粒性狀差異的遺傳機制尚不清楚。

　　植生生態所研究員、中科院院士韓斌和國家基因研究中心團隊通過開發一套整合的全基因組關聯分析的方法，即通過對381份粳稻材料（包含40份熱帶粳稻和341份溫帶粳稻）的粒長和千粒重開展全基因組關聯分析 (GWAS)，定位到一個既控制粒長又決定千粒重的關鍵數量性狀位點QTL-GLW7，并進一步整合基因組變異和全基因組基因表達譜信息，以及水稻突變體材料的分析和轉基因實驗鑒定，最終成功克隆到控制水稻粒長和粒重的關鍵基因GLW7。研究發現，GLW7為編碼一類高等植物特有的SPL轉錄因子基因，因此被命名為OsSPL13。該基因在穗發育及穎殼發育時期特異性表達，但是GLW7在大粒型水稻材料中的mRNA和蛋白表達量均顯著高于小粒型品種材料。轉基因實驗表明，該基因不僅可以使水稻籽粒增大，同時還能顯著增加穗長、一級枝梗和二級枝梗數目以及每穗粒數，最終增加水稻產量。研究發現并證明GLW7主要是通過增加細胞的大小而使籽粒的體積變大。

　　進一步群體遺傳學分析發現，在水稻的遺傳改良過程中，大粒基因GLW7是從秈稻通過遺傳漂移滲透到熱帶粳稻以及少量的溫帶粳稻中，從而改良了粳稻的千粒重和產量。這項研究不僅完善了基于全基因組關聯分析的水稻復雜性狀基因鑒定的方法，同時也闡明了調控水稻籽粒大小的新的分子機制。更為重要的是，該基因將為粳稻的高產優質育種提供非常重要的基因資源，有著廣闊的應用前景，可以直接用于水稻的分子設計育種。

　　該研究獲得了中科院先導A分子模塊設計育種、國家基金委和科技部項目的資助。