水稻每穗粒数QTL GN4-1的克隆和功能分析

随着我国人口的增加、耕地面积的减少以及环境的恶化，提高我国第一大作物水稻的单产和总产对于保障我国的粮食安全具有举足轻重的作用。以理想株型为模式的超级稻育种和分子设计育种是水稻分子改良的有效途径，而水稻重要农艺性状基因的定位、克隆和功能研究则是开展水稻分子改良的基础。本研究组在前期工作中，从武运粳8号和8006为亲本的回交导入群体中筛选出一个每穗粒数显著增多的株系，以此为材料构建衍生分离群体，鉴定出一个水稻每穗粒数的主效QTL GN4-1，完成其遗传分析和初步定位。本项目拟在已有基础上，精细定位GN4-1并确定其候选基因，利用互补试验进行验证；通过构建NILs、过表达和RNAi株系及形态解剖观察研究GN4-1的功能，揭示GN4-1调控每穗粒数的分子机理，明确该基因对各农艺性状的遗传效应及其与产量形成的关系；通过测序明确目标GN4-1在不同水稻高产品种中的分布，为开展水稻分子改良提供重要信息。

本研究利用高世代回交群体，精细定位了水稻每穗粒数主效QTL GN4-1，从形态学、生理学和分子遗传学等角度分析了GN4-1遗传模式和效应，解析了GN4-1调控每穗粒数的生理和遗传基础，并对GN4-1的育种价值进行评估。取得的主要结果如下：.1、在分离群体中，杂合基因型个体的每穗粒数和稀穗纯合基因型个体、密穗纯合基因型个体每穗粒数的差异均达显著水平，明确了GN4-1是一个不完全显性基因；.2、最终将GN4-1定位于第4染色体上标记RM17110和Gn2-80之间约160kb的区段内。通过序列和表达分析确定了LOC_Os04g39270和LOC_Os04g39430为GN4-1的候选基因，分别编码一个indole-3-glycerol phosphate synthase和一个cytochrome P450蛋白；.3、选育了GN4-1近等基因系NIL(GN4-1)。8006遗传背景下，NIL(GN4-1)能够增加50.6%的每穗粒数，并能增加20.34%的单株产量和14.29%的小区产量。此外，GN4-1还能显著增加水稻茎秆粗度、茎秆壁厚度和大维管束的数目，这暗示GN4-1在水稻产量和抗倒伏性的遗传改良方面具有潜在价值；.4、比较了NIL(GN4-1)和8006穗中的细胞分裂素(Cytokinin，CK)含量，发现NIL(GN4-1)穗中4种CKs的总含量为2.71pg/mg，而8006穗中的总含量为1.78pg/mg，前者比后者高约52.04%。初步明确了CKs含量的差异是导致每穗粒数变异的生理学基础；.5、发现细胞周期基因CycF在NIL(GN4-1)穗中的表达水平极显著高于8006，说明GN4-1可能通过调节细胞周期基因的表达增强细胞分裂；发现除OsCKX3外的8个OsCKX基因在NIL(GN4-1)穗中的表达水平极显著低于于8006；另外， IPT基因家族成员以及细胞分裂素响应和调节因子基因在NIL(GN4-1)穗中的表达水平极显著低于8006； LAX1在NIL(GN4-1)和8006穗中的表达没有显著差异，RCN1和EP2在NIL(GN4-1)穗中的表达水平显著高于8006，但IPA1、FZP、Gn1a、OsCLV1、OsCLV2、OsCLV3、RCN2、DEP1、EP3和PROG1等穗发育相关的基因在NIL(GN4-1)穗中的表达水平均显著低于8006。