水稻种子活力相关基因qGI-11的克隆及作用机理研究

Seed vigor is an important quality of seeds. Through analysising the genetic and molecular mechanism of seed vigor of rice it is very helpful to breed elite rice varieties with high seed vigor for rice production. In our previous study, more than 10 QTLs were identified from various RILs population of rice. Among these QTLs, one main-effect QTL qGI-11 for germination index was detected on rice chromosome 11, accounting for 54.9% of the phenotypic variation, which could significantly increase seed germination rate and uniformity. qGI-11 was mapped in the physical interval of 76.8kb, and six candidate genes were predicted in this region. In this study, the fine mapping and cloning of qGI-11 will be conducted. With Agrobacterium-mediated approach the overexpression and the silencing by RNAi of qGI-11 in rice will be generated in order to identify the function and possible mechnisms of qGI-11. Through molecular and bioinformatic techniques, the possible molecular mechanism of qGI-11 will be explored. Meanwhile the polymorphism of qGI-11 allele will be further identified to develop the SNP haplotype of qGI-11. Based on this research the practical molecular markers of qGI-11 will be developed using SNP haplotype, combined with high-density mulecular linkage in the region of qGI-11. The results will serve as the genetic improvement in seed vigor of rice varieties through molecular assisted selection (MAS) and transgenic approaches in the future.

种子活力是种子的重要品质，揭示水稻种子活力的遗传及分子机理，培育种子活力高的水稻品种对水稻生产具有重要意义。本课题组利用水稻不同RILs群体，检测到10多个控制水稻种子活力的QTLs，其中位于第11号染色体上的主效QTL qGI-11，贡献率为54.9%，能显著提高种子发芽速度和整齐度；qGI-11已被定位在76.8kb物理区间，预测有6个候选基因。本项目拟对qGI-11位点进行精细定位与候选基因的克隆，通过农杆菌介导法获得qGI-11候选基因过量表达和RNAi抑制表达的转基因植株，验证其功能，探讨其可能的作用机理。进一步分析qGI-11等位基因多态性，发掘目标基因单倍型SNP位点，结合基因两侧的高密度分子标记图谱，开发与其紧密连锁的、实用的分子标记，为利用分子标记辅助选择技术（MAS）和转基因技术进行水稻种子活力的遗传改良服务。

种子活力是种子的重要品质，揭示水稻种子活力的遗传及分子机理，培育种子活力高的水稻品种对水稻生产具有重要意义。本项目通过多代连续回交，获得了以IR28或大关稻为背景的多世代回交群体，并构建了多个近等基因系群体。利用构建的回交群体，分别在不同温度条件下检测到新的控制种子发芽速度QTLs。通过图位克隆方法将控制种子发芽速度主效基因qGI-11精细定位于54 kb物理区间内，根据基因组数据库、EST信息在该区间预测到7个候选基因。利用PCR方法克隆候选基因，通过比较候选基因双亲序列，同时比较近等基因系候选基因表达差异，初步确定候选基因为2-酮戊二酸/苹果酸转运蛋白OsDTC（Os11g24450）。生物信息学分析表明，OsDTC编码一个线粒体转运蛋白，具有转运二羧酸和三羧酸功能；基因位于11号染色体上，含有6个外显子，基因编码区全长为1388bp，编码310个氨基酸，含有3个保守结构域，在N端共有3个跨膜区。qRT-PCR分析表明OsDTC在水稻的各个组织中均有表达，其中在叶片中表达量最高，叶鞘和16cm穗中表达量次之，而在茎、8cm穗和12cm穗中的表达量较低。近等基因系研究发现NILIR28种子发芽速度显著快于NILDGD，转基因株系表型鉴定发现WT的发芽率均显著高于过表达株系OE-72、OE-73，结果证明OsDTC是控制种子发芽速度的候选基因，对种子发芽速度具有负调控作用，来源于IR28的qGI-11等位基因能有效提高种子发芽速度。转录组分析表明，在种子萌发早期和晚期分别有1452和625差异表达基因受OsDTC调控，GO分析表明上述差异基因主要参与种子胁迫响应、细胞响应等代谢路径。结合qGI-11基因两侧高密度分子标记，开发了与qGI-11紧密连锁的标记YBR20、YB21和M26614可以用于后期分子标记辅助选择育种利用。qGI-11能提高水稻种子活力但不会影响水稻产量、农艺性状，获得了3个可以应用于水稻种子活力遗传改良的育种中间材料。种子发芽速度快慢、发芽整齐度高低是衡量种子活力高低的重要指标之一，目前相关QTL克隆未见报道。本项目对qGI-11克隆与功能研究，有助于揭示水稻种子活力的分子机理；利用获得的近等基因系和转基因株系，以及开发的实用分子标记，能通过分子标记辅助选择方法聚合水稻高种子活力基因，为高活力水稻品种培育提供基础。