控制水稻粒重关键基因及其遗传调控网络解析

Grain yield is determined by three important components including the number of tillers per plant, number of grains per panicle and 1,000-grain weight. In fact, the grain weight traits consist of grain length, gran wide and grain thickness, all of which is controlled by quantitative trait loci (QTL) derived from natural variations in rice. Recently, several genes have been shown to control grain size and grain shape and its relevance to grain weight. However, many of its genetic determinants are as yet explained only as QTLs, without any understanding of the nature of their gene product. In this proposal, we will focus on identification of the key genes and its natural variants using QTL, GWAS and MutMap approaches, and analyze the molecular mechanisms and integrative network of these genes responsible for grain weight in rice.

在农业生产中，增加粒重是实现水稻高产育种的有效途径之一。然而，水稻粒重相关性状（例如粒长、粒宽、粒厚等）是受多基因和环境共同调控的复杂数量性状，目前人们对其形成的遗传基础及其调控网络的认识还非常有限。如何高效挖掘水稻粒重关键基因，解析粒重基因之间的互作调控规律，明确优异等位基因聚合的增产效应，是目前水稻分子设计育种面临瓶颈问题。本项目利用野生稻、农家种、主栽品种以及突变体库等水稻材料，综合运用多种组学、生物信息学、计算生物学等多学科交叉手段，通过GWAS分析、QTL定位、图位克隆、MutMap等方法系统鉴定水稻籽粒性状形成的基因数目；重点研究粒重关键基因功能及其分子调控机制，解析不同粒重基因之间互作规律，揭示控制水稻粒重的遗传调控网络；发掘优异等位基因，在主栽品种中评价优异等位基因的聚合增产效应，为水稻高产分子设计育种奠定理论基础和提供新基因资源。

水稻籽粒性状（粒长、粒宽、粒厚等）是受多基因调控的复杂数量性状，目前人们对控制水稻粒重性状形成的遗传调控网络的认识还非常有限。如何系统挖掘水稻粒重基因，解析粒重基因间的遗传互作规律，挖掘并利用优异等位基因，是水稻分子设计育种面临的核心科学问题。本项目对具有代表性的野生稻、农家种、主栽品种进行了系统收集，并对这些材料及其构建的大样本遗传分离群体进行了重测序；通过全基因组关联分析、QTL定位、图位克隆和饱和突变体库筛选等手段，系统鉴定水稻在驯化和人工选择过程中粒重性状形成的基因数目；克隆了控制水稻粒重的关键基因LGY3，GL3.3，SNG1，NPT1，GRF4等；研究表明粒长基因GL3.3编码GSK5激酶，且与粒重基因GS3存在遗传互作关系；研究还发现Gγ亚基GS3和DEP1能与LGY3蛋白互作，进一步RNA-seq和转录激活实验证实Gγ亚基作为转录因子LGY3的co-factor，增强LGY3转录活性，共同激活下游靶基因表达，进而调控水稻种子大小；G蛋白信号途径调控水稻粒重性状形成的遗传网络解析以及LGY3与GS3和DEP1，GS3与qGS3.3，GW5，GS3和GW8不同等位基因聚合的增产效应的评价，为协同改良水稻产量和品质的分子设计育种奠定理论基础和提供新基因资源。