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科学家揭示水稻粒宽与粒重调控新机制
发表日期: 2017-04-27 作者: 万建民等 文章来源:《自然—植物》
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近日,中国农业科学院作物科学研究所万建民院士领衔的水稻功能基因组学创新研究组,在水稻粒宽与粒重调控机制研究中取得重要进展。研究人员经过多年努力,揭示了控制水稻粒宽与粒重关键基因GW5通过调节油菜素内酯(brassionsteroids BR)信号途径调控水稻籽粒发育的新机制,初步阐述了其功能作用模式与遗传调控网络,为水稻高产育种提供了重要的理论依据。该项研究成果于2017410日在线发表在Nature Plants杂志上。

水稻粒型是决定籽粒重量进而影响水稻产量和品质的重要性状。GW5/qSW5为较早报道的控制水稻粒宽、粒重且效应较强的数量性状基因座(QTL)。GW5/qSW5在水稻资源中普遍存在,受环境影响较小且对粒型性状贡献率较高,对培育优质高产水稻品种具有重要的应用价值。早在2008年,万建民研究组与日本Yano研究团队分别将GW5/qSW5位点成功定位在同一重叠区间内,发现存在于宽粒品种中的1,212-bp缺失与粒宽性状关联,并验证该缺失在水稻人工驯化和育种改良过程中被高强度地选择以增加水稻产量。然而,两研究团队预测的GW5/qSW5候选基因却不相同,且均未报道对所预测基因的功能验证结果。因此,对于GW5/qSW5位点的功能基因需要进一步明确。

万建民研究组科研人员经过深入研究,明确了位于该1,212-bp缺失区域上游一个编码钙调蛋白的基因,能够显著影响水稻粒宽,是GW5/qSW5位点的候选基因,仍命名为GW5,其主要在水稻籽粒发育时期的颖壳中表达。存在于宽粒品种的1,212-bp缺失通过调控GW5的表达量进而调控籽粒大小。进一步研究发现,GW5蛋白定位在细胞质膜上,并可与油菜素内酯信号途径中的一个关键激酶GSK2直接互作,抑制GSK2磷酸化下游两个转录因子BZR1DLT活性,使得非磷酸化状态的BZR1DLT积累并进入细胞核中,调控BR下游响应基因表达,进而调控水稻粒型等生长发育过程。研究人员还发现,通过CRISPR技术将GW5基因敲除,可以增加其它不含1,212-bp缺失的水稻品种籽粒的粒宽和粒重,达到增产的效果。上述研究结果揭示了水稻中BR信号途径和籽粒发育调控的一种新机制,并为其它禾谷类作物的增产提供了新的思路。

该论文以中国农业科学院作物科学研究所为第一完成单位,博士研究生刘家范和陈隽为论文共同第一作者,万建民与王海洋研究员为共同通讯作者。本研究得到了“国家自然科学基金重大研究计划”、“十三五国家重点研发计划”及“转基因生物新品种培育”重大科技专项的资助。(来源:科学网 卫斐 张晴丹)

 

GW5 acts in the brassinosteroid signalling pathway to regulate grain width and weight in rice

 

Abstract  Grain size is a major determinant of grain yield in cereal crops. qSW5/GW5, which exerts the greatest effect on rice grain width and weight, was fine-mapped to a 2,263-bp/21-kb genomic region containing a 1,212-bp deletion, respectively. Here, we show that a gene encoding a calmodulin binding protein, located 5 kb downstream of the 1,212-bp deletion, corresponds to qSW5/GW5. GW5 is expressed in various rice organs, with highest expression level detected in young panicles. We provide evidence that the 1,212-bp deletion affects grain width most likely through influencing the expression levels of GW5. GW5 protein is localized to the plasma membrane and can physically interact with and repress the kinase activity of rice GSK2 (glycogen synthase kinase 2), a homologue of Arabidopsis BIN2 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE2) kinase, resulting in accumulation of unphosphorylated OsBZR1 (Oryza sativa BRASSINAZOLE RESISTANT1) and DLT (DWARF AND LOW-TILLERING) proteins in the nucleus to mediate brassinosteroid (BR)-responsive gene expression and growth responses (including grain width and weight). Our results suggest that GW5 is a novel positive regulator of BR signalling and a viable target for genetic manipulation to improve grain yield in rice and perhaps in other cereal crops as well.

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/nplants201743

 


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