水稻大粒基因GW7.1调控籽粒发育的作用机理

Seed size is one of the most important agronomic factors that control rice grain yield. In order to breed high yield rice varieties, we developed a new rice mutant named GW7.1 with great seed size over 40g/1000-grain via radiation of γ-rays. And further, we cloned this gene using classical mapping method, which will provide new gene resource that help us to improve rice yield. In order to further elucidate the working mechanism of GW7.1, we will employ a series of new methods related to genetics, RNA, protein and metabolites to research on the cytological causes, the bases of biochemical and physiology, molecular regulating mechanism for the development of rice seeds by gene GW7.1. Then, we will try to make clear how and what extent of GW7.1 affect on the rice development and rice quality, and also the roles of GW7.1 played in the working net for rice seed size.

种子大小是控制水稻产量的重要因素之一，为了提高水稻产量，我们通过伽马射线辐射诱变创造了功能获得型突变体GW7.1，并克隆了该基因，为水稻高产改良提供了新的基因资源。为进一步阐明该基因的作用机制，本研究以GW7.1为中心，从RNA、蛋白和代谢水平，借助细胞、分子、生理生化、遗传等分析手段，研究水稻高产基因GW7.1调控水稻种子发育的细胞学原因、生理生化基础、表达调控的分子机制，对水稻生长发育、稻米品质的影响，以及在水稻籽粒发育调控网络中发挥的作用等，从而阐明该基因的作用方式及其调控籽粒大小的分子生物学基础。

为创制水稻优良突变，我们采用Co60辐射高产水稻品种9311，获得了一个茎秆粗壮高大、大粒高产的突变体。为克隆利用该突变，我们以黄花占为受体构建了近等基因系，与回交亲本黄华占相比，近等基因系千粒重增加了11.0%，生物量增加26.7%，光合效率提高29.1%，单株产量增加27.8%，可明显提高水稻产量，属于一个高产高光效基因。为有效利用该基因，我们通过图位克隆结合遗传互补验证克隆了该基因，该基因位于第7染色体，编码一个由转座子衍生含HTH和DDE结构域、突变体中在HTH结构域有个单碱基的突变导致其功能改变。转基因互补验证发现该基因能够显著增加粒长、粒宽和粒厚，进而显著提高千粒重，同时，GW7.1还能提高光合效率和总产量，故将其命名为GW7.1。时空表达分析显示，该基因属于泛表达，说明其在多种组织中发挥着作用。亚细胞定位显示，该基因编码蛋白可定位于细胞核，生化分析显示，GW7.1蛋白具有转录激活功能，可反馈上调自身表达，促进其自身表达。同时，ChIP-seq结合EMSA、酵母单杂等分析表明，GW7.1可结合在Rubisco小亚基编码基因RbcS2/3/4基因的启动子上，从而提高Rubisco小亚基编码基因RbcS2/3/4的表达和Rubisco蛋白含量，促进Rubisco活性。进一步的生化和分子生物学分析发现，GW7.1蛋白还能同时靶向CCP1基因，促进籽粒发育，提高千粒重。基于此，我们发现，GW7.1同时提高水稻光合效率和千粒重，协同调控水稻源库发育，从而提高水稻产量。而对野生稻和栽培稻基因组测序分析发现，GW7.1基因编码区虽然野生稻中存在大量碱基变异，在栽培稻中有个别碱基突变，但这些变异并没有导致氨基酸的变化，说明该基因在野生稻和栽培稻中存在强烈的自然选择和人工选择，表明该基因在水稻发育中扮演着重要功能。