水稻穗粒数基因GNP1对强、弱势粒灌浆差异形成及调控机制研究

Poor filling and low grain weight of inferior spikelets is one of the major reasons of limitation on the realization of high yield potential in the newly bred “super” rice cultivars with large number of spikelets.Although many researches focus on the physiological function and molecular mechanisms of the asynchronous filling of superior and inferior spikelets, formation and regulation mechanisms of grain number per panicle gene on differences in grain filling of superior and inferior grains has not been reported so far. Our previous study isloated and cloned GNP1 gene affecting grain number per panicle in the progenies of introgression Teqing into Lemont background through map-based cloning strategy. Compared with the NIL-GNP1LT control, we observed significant increases in grain number, flag leaf area, vascular bundle at the panicle neck and culm, and grain yield in NIL-GNP1TQ , but dramatic decrease in 1000-grain weight, especially for inferior 1000-grain weight. On the basis, genetic effect and molecular mechanisms of GNP1 gene on grain filling of superior and inferior spikelets will be compared in the levals of morphology, physiology, biochemistry and gene expression in the grain filling stage using near-isogenic lines.These results will have an important scientific value to understand regulation mechanisms on grain filling of inferior spikelets and increase the yield performance of rice, and also play an important role in guiding molecular breeding for developing super high yield rice varieties by molecular technologies.

大穗型水稻品种弱势粒灌浆差和粒重低是阻碍水稻产量潜力发挥的主要原因之一。目前国内外主要围绕强、弱势粒灌浆差异开展了一系列生理生化及分子调控机理研究。但迄今为止，控制水稻穗粒数基因对强、弱势粒灌浆充实差异的形成及调控机制研究仍未见报道。项目组前期分离并克隆了控制水稻穗粒数基因GNP1，该基因导入增加穗粒数、剑叶叶面积、穗茎节维管束数量，但千粒重降低，尤其表现为弱势粒灌浆不饱满，千粒重显著降低。本项目以穗粒数基因GNP1近等基因系为试材，精细比较该基因在籽粒灌浆过程中强、弱势粒的胚乳细胞形态、灌浆生理生化、基因表达等多层次上的遗传效应，剖析其作用机制；并结合GNP1转基因株系强、弱势粒灌浆特性的分析，阐明GNP1基因对强、弱势粒灌浆充实差异的分子机制。研究结果对破解大穗型水稻弱势粒灌浆差的科学难题和挖掘水稻生产潜力具有重要的科学价值，对进一步通过分子育种技术培育超高产品种具有重要的指导作用。

大穗型水稻品种弱势粒灌浆差和粒重低是阻碍水稻产量潜力发挥的主要原因之一。但迄今为止，水稻穗粒数基因GNP1对强、弱势粒灌浆充实差异的形成及调控机制研究仍未见报道。为此，本项目利用GNP1基因的一对近等基因为试材，精细比较该基因在籽粒灌浆过程中强、弱势粒的形态、灌浆生理生化、基因表达等多层次上的遗传效应和分子调控机制。研究结果表明，与NIL-GNP1LT相比，NIL-GNP1TQ的强势粒粒重的显著降低主要归因于强势粒籽粒变小，而弱势粒粒重的显著降低除归因于弱势粒籽粒变小外，还表现为籽粒灌浆较差。转录组测序、荧光定量PCR及酶活分析结果显示，在弱势籽粒灌浆的前期和中期，NIL-GNP1TQ的一些蔗糖-淀粉代谢通路相关基因的表达量显著降低，转录水平降低，酶活性降低。因此，推断蔗糖-淀粉代谢途径关键基因的表达量和酶活性低可能是NIL-GNP1TQ弱势籽粒灌浆差的主要原因，从而最终导致NIL-GNP1TQ的弱势粒充实差或容重变小。进步一研究发现，较低浓度ABA可能降低了蔗糖合成酶的活性，抑制了NIL-GNP1TQ弱势粒的蔗糖-淀粉代谢途径关键基因的表达量，从而导致NIL-GNP1TQ弱势粒的灌浆比NIL-GNP1LT差。而籽粒灌浆过程中植物内源细胞分裂素、赤霉素和IAA对NIL-GNP1TQ弱势粒的灌浆无显著影响。除此以外，与NIL-GNP1LT 相比，NIL-GNP1TQ抽穗前茎鞘中非结构性碳水化合物的积累量显著降低可能也是导致弱势粒粒重降低的部分原因。这些结果为研究GNP1对强、弱势粒灌浆差异形成的生理功能和分子机制提供了新的思路。