水稻“3花小穗”形成的分子机制研究

The number of grains per spike is one of the most important factors in rice yield. At present, a series of related genes have been cloned, which are mainly to increase yield by increasing the number of branches. The spikelet of rice usually contains only one normal floret, but from the findings of morphological studies, it has been hypothesized that it was composed of three florets, although lacking direct evidence. The phenotype "three florets spikelet" was found in lf1 and lf2 mutants, in which spikelets developed two new lateral florets in the axil of sterile lemma except for the terminal floret. The increase in the number of florets in this spikelet may be another important way to increase the total number of grains per panicle. The "three florets spikelet" can increase the number of grains per spike three times in theory. However, the molecular mechanism behind the phenotype remains unclear. The discovery of lf1 and lf2 mutants offered direct evidence in support of the “three-florets spikelet” hypothesis. Here the LF1 and LF2 genes have been molecular cloned and identified. Based on this foundation, the project plans to further study its molecular mechanisms and regulatory network by genetic, cytology, molecular biology and other means, and to combine a series of genes, which regulate the development of sterile lemma (NSG, G1 and LHS1) with LF1/LF2 to achieve normal "three florets spikelet", to lay the foundation for the improvement of rice yield.

每穗粒数是水稻产量构成的最重要因素之一，目前已克隆出的相关基因均是主要以增加枝梗数目来实现水稻增产的。通常水稻一个小穗只包含一个正常小花，过去人们认为水稻小穗可能由3个小花构成，但缺乏直接证据，我们发现了2个“3花小穗”突变体（lf1和lf2），除顶生小花外，在护颖与顶生小花间生长出一朵新的小花，包含完整的4轮花器官，这种小穗内小花数目的增加可能是增加每穗总粒数的另一重要新途径，“3花小穗”理论上可以提高穗粒数3倍，但其分子机制缺乏研究。lf1和lf2突变体的发现为“3花小穗”假说提供了最直接的证据，我们已经获得了LF1和LF2基因，并通过了互补验证，本项目拟在此基础上通过遗传学、细胞学、分子生物学等手段进一步研究其分子机制及调控网络，并利用系列护颖调控基因如NSG、G1、LHS1与LF1、LF2组合，实现正常“3花小穗”，为水稻产量提高奠定基础。

水稻每穗粒数主要由穗部枝梗决定，然而当前通过继续改良枝梗性状增加穗粒数已到瓶颈，迫切需要寻找新的途径。“3花小穗”假说认为水稻小穗原本由1个顶花和2个侧花构成，后来侧花退化只留下2个护颖（侧花外稃遗迹）。如果水稻侧花恢复形成3花小穗就可以大幅度提高每穗粒数，但相关研究缺乏。本项目中，我们鉴定出一批调控水稻小穗侧花发育的基因，开展了侧花发育分子机制研究和侧花恢复的分子设计工作。.项目首先在水稻小穗侧花形成分子机制方面取得了重大进展，克隆了3个侧花基因LF1、LF2和LF3，突变体都导致水稻侧生小花的恢复，表现出3花小穗。其中，显性突变基因LF1通过miRNA165/166-LF1-OSH1途径激活水稻小穗护颖腋下分生组织起始，从而诱导侧生小花形成；LF2和LF3通过介导生长素的合成从而影响其在小穗中的分布，突变体中由于生长素的减少导致小穗中侧生分生组织的起始，进而形成侧花。这3个基因的研究（特别是LF1）不仅首次明确证实了水稻“3花小穗”假说，同时提供了一条通过培育3花小穗大幅度提高每穗粒数的新途径。.项目还克隆了水稻护颖（侧花外稃）发育基因NSG1，深入解析了NSG1通过直接抑制外稃发育基因OsMADS1在护颖中的异位表达从而抑制护颖向外稃转化的分子机制。该研究一方面阐明了护颖与外稃的同源关系，进一步辅助证实了“3花小穗”假说；另一方面为lf1突变体中侧生小花外稃的完全恢复提供了支持：通过在lf1突变体中超表达OsMADS1，获得了侧花形态较为正常且可以正常结实的多花小穗材料。.综上，本项目首先明确证实了水稻“3花小穗”假说，深入解析了侧生小花发育的分子机制和调控途径，同时提出了一条通过培育3花小穗大幅度提高每穗粒数的新途径，并进行了初步的分子设计研究。研究成果对于突破当前水稻单产瓶颈，实现产量再一次飞跃提供了理论基础和技术支撑，对于保障粮食安全意义重大。