高粱粒重qHGW1基因的克隆和功能分析

Aiming at the need of improving the yield and quality of crops, this project will pay close attention to research the key scientific problem existing in developing elite variety based on the biology function of grain weight gene in sorghum. The proposed innovation evolved in revealing the biological mechanisms of sorghum yield by comparison with the allelic variation of grain weight related gene in different sorghum varieties. In this project, quantitative trait loci (QTL) mapping was carried out for grain weight using a set of recombinant inbred lines derived from the cross of 654 (small grain)/LTR108 (large grain). The candidate region of qHGW1 was narrowed down into a 17kb DNA fragment interval by fine-mapping using three sets of NILs with overlapping target segregating chromosome segment from a residual heterozygous population. In the interval only two reading frames was predicted and one was a putative LOC100277439 ortholog which involved in maize kernel development. Further studies will be carried out base on the previous works: 1) isolate the qHGW1 gene in sorghum, 2) characterize the function of qHGW1 gene by genetically modified sorghum, 3) characterize the function of qHGW1 gene by genetically modified rice, to carry out the comparative function analysis, 4) detect superior alleles by association analysis and develop a functional marker for qHGW1 to enable molecular-assisted selection in sorghum. The achievement of this project will provide the theory and technical method for the sorghum genetic improvement and the breeding practice.

针对提高农作物单产和改良品质的需求，以高粱为材料，研究作物高产优质性状培育中的关键科学问题。通过对粒重基因的克隆和生物学功能进行分析，揭示决定籽粒形状和重量的可能分子机制。考察粒重基因的等位变异，揭示高粱产量形成的生物学机制。在初步定位粒重qHGW1基础上，发展剩余杂合体分离群体，利用小样本量群体将该QTL定位在17kb的物理区间内，仅包含2个候选基因。其中一个基因与影响玉米粒重形成的基因LOC100277439高度同源。基于这一研究结果，拟开展以下研究：1）、克隆高粱粒重基因qHGW1；2）、利用已建立的高粱转基因体系，以功能缺失的高粱亲本为受体，开展生物学功能分析；3）、以水稻为转基因受体，转化qHGW1基因，开展功能比较分析；4）、通过对高粱核心种质的调查，挖掘可用于高产育种的高粱粒重相关基因的有益等位基因变异。项目预期成果可为高粱产量性状的遗传改良及育种实践提供理论指导和技术方法。

高粱是人类最早栽培的重要谷类作物之一，播种面积和总产量仅次于玉米、小麦、水稻和大麦，居世界第五位。在干旱、半干旱、低洼易涝以及盐碱地区，种植高粱能够保持稳产高产，对提高当地粮食产量，保证粮食供应起着不可低估的作用。国内外一直都没有停止研究高粱产量性状，但以往大多数研究的重点主要集中在产量形成的形态和生理学机制上，这些研究与遗传研究结合不够紧密，无法确定控制这些性状的基因，从而限制了高粱产量性状研究的进展。到目前为止通过QTL图位克隆的方法对高粱产量性状相关基因的克隆还未见报导。本项目利用剩余杂合体分离群体精细定位和克隆了高粱粒重主效QTL qHGW1。该基因在小粒亲本654 ＜5cm幼穗中表达量最高，随后开始下降，在灌浆期的籽粒中几乎没有表达。值得注意的是qHGW1在三叶期的苗和根以及孕穗期的叶和抽穗期的茎秆里也有很低的表达，而在大粒亲本LTR108中的表达量一直都很低。对qHGW1基因的全长cDNA的比较测序发现，654和LTR108存在20个SNP和15个Indel 共35处序列差异，其中5'-UTR有13个，外显子有5个，3'-UTR有17个。在LTR108中，位于起始位点第339 nt处有5个碱基的插入（TGGCG）导致了移码突变，翻译提前终止，籽粒变大。654的全长CDS包含5个外显子，编码198个氨基酸，分子量约为21Kd，具有完整功能，编码了G蛋白  亚基。转基因实验表明超量表达qHGW1基因后，浙粳22籽粒变短，粒宽和粒厚保持不变，粒重减少，证明qHGW1基因负向调控高粱籽粒的发育。利用烟草的瞬时表达系统对qHGW1基因编码的蛋白进行亚细胞定位，结果显示654全长cDNA与GFP重组蛋白的荧光信号定位于细胞质和细胞核中。