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成都生物所在水稻粒型调控研究方面取得新进展
发表日期: 2020-10-19 作者: 李鹏慧 文章来源:
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 水稻(Oryza sativa L.)不仅是全球一半以上人口的主粮作物,也是作物遗传、发育、分子生物学与基因功能等研究的最为成熟的模式物种。而粒型又是决定水稻产量、稻米的品质、营养与商品价值的关键因素,受一系列关键基因与环境因素的综合调控。因此,利用特异水稻种质资源,克隆水稻粒型关键调控基因并进行功能机制解析,是利用这些关键基因开展种子精准设计育种,选育高产优质水稻新品种的基础,具有十分重要的科学意义与应用价值。 

 中科院成都生物研究所的研究人员利用一份发现已有将近20年的特异水稻种质资源麦稻Oat-like rice),运用表型分析、发育生物学、分子遗传学与转基因功能验证等综合技术手段,在对麦稻粒型等典型表型及其遗传规律进行多年多点鉴定与分析的基础上,克隆了引起麦稻表型的OsMADS1Olr新等位基因,发现OsMADS1基因对水稻粒型具有十分重要的调控作用,并且可能对水稻开花后种子发育与粒型具有直接的调控作用。 

 研究发现麦稻很可能是一份自然变异材料,其典型形态特征是谷粒内外稃极显著伸长且不闭合,偶尔出现由异常双生子房发育形成融合在一起的两粒糙米,产生形似燕麦粒的表型。故当地育种家称之为麦稻。接下来的组织细胞学观察发现麦稻内外稃显著极伸长的部分原因是其纵向薄壁细胞极显著伸长。同时,花发育分析发现麦稻内外稃不闭合表型是由其内外稃细胞伸长与构象等协调发育失调引起的。另外,育性分析发现麦稻的另一个明显表型结实率极低主要是由其花器官数目、形态和结构异常,以及胚囊发育不成熟引起的。进一步分析发现麦稻谷粒灌浆速率整体上低于正常对照品种日本晴,导致谷粒干物质积累受影响,最终引起麦稻千粒重下降。 

 随后研究人员利用图位克隆技术,将麦稻候选基因定位于第3染色体长臂上的14 kb物理区间内。基因预测分析发现该区间唯一的基因OsMADS1属于MADS-Box转录调控因子基因家族。早期研究发现该基因调控花分生组织分化与花器官发育,最近几年的研究发现OsMADS1基因也调控水稻谷粒发育。因此OsMADS1可能是引起麦稻表型的候选基因,但其对水稻开花后种子发育、粒型与灌浆有无直接调控功能还不得而知。接下来的基因测序发现麦稻中的OsMADS1第一外显子第80位核苷酸发生由GA的突变,为OsMADS1的一个新等位基因,将其命名为OsMADS1Olr。基因突变导致OsMADS1Olr蛋白负责其与下游靶基因结合的MADS-box功能域的第27位氨基酸甘氨酸(Gly)突变为天冬氨酸(Asp)。进一步的蛋白序列比对分析发现该野生型甘氨酸在动植物MADS-box蛋白家族的MADS功能域中高度保守,可能对OsMADS1发挥正常转录调控功能具有至关重要的作用。因此,OsMADS1Olr中的氨基酸突变可能会影响其与下游靶基因结合的正常功能,从而引起麦稻表型。 

 随后的OsMADS1Olr突变位点与表型在代表性水稻材料中的关联性分析发现该突变碱基A与麦稻表型共连锁,说明麦稻表型很可能是由该突变碱基引起的。同时,OsMADS1基因表达谱分析发现该基因主要在水稻花和种子中表达,而其在种子中的表达主要集中在前期的内外稃和种皮、中期的胚、胚乳和糊粉层,说明OsMADS1不仅对水稻花发育具有重要的调控作用,而且可能对开花后种子发育与粒型也具有重要的调控作用。 

 进一步在正常对照水稻品种日本晴中过表达OsMADS1Olr突变基因、或干扰OsMADS1野生型基因的正常表达,转基因植株中都出现了类似麦稻谷粒的表型。这些OsMADS1转基因功能验证实验证明了麦稻表型的确是由OsMADS1Olr突变基因导引起的,OsMADS1对水稻粒型具有重要的调控作用。此外,通过分析OsMADS1的互作基因DEP1GS3粒型调控基因在麦稻、OsMADS1Olr过表达和OsMADS1-RNAi转植株表达,发现OsMADS1可能通过调控或影响这些基因的表达水平进而调控水稻粒型。 

 以往的研究报道普遍认为成熟谷粒的粒型主要是由成熟花的内外稃形态决定。虽然OsMADS1对水稻花发育具有非常重要的调控作用,但其对水稻开花后种子发育和粒型有无直接的调控作用还不得而知。为了回答这个科学问题,研究人员构建了OsMADS1基因种子特异性干扰载体研究系统,通过特异性干扰OsMADS1基因在种子中的表达而不影响其在花中的正常功能,来研究OsMADS1对水稻开花后种子发育和粒型有无直接的调控作用。结果表明OsMADS1种子特异性干扰植株谷粒出现轻微裂颖的表型,该表型较OsMADS1Olr过表达和OsMADS1干扰植株微弱许多,说明OsMADS1可能对开花后种子发育和粒型具有直接的调控作用。进一步的表型分析发现OsMADS1基因种子特异性干扰植株谷粒裂颖表型可能是由种子正常灌浆受影响、糙米粒厚增加所致,说明OsMADS1有可能通过影响水稻灌浆来调控水稻种子发育和粒型。 

 综上所述,水稻MADS-box转录调控因子基因家族成员OsMADS1对水稻粒型具有十分重要的调控功能,并且可能对水稻开花后种子发育与粒型具有直接的调控作用。 

 该研究成果近日以Characterization of the ‘Oat-like rice’ caused by a novel allele OsMADS1Olr reveals vital importance of OsMADS1 in regulating grain shape in Oryza sativa L.为题发表在农林科学国际期刊《RICE》上。成都生物所环境治理与食品安全领域博士生李鹏慧为该论文的第一作者,助研李辉与原研究员汪松虎为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划七大农作物育种重点专项、国家自然科学基金和中科院国合局国际伙伴计划一带一路专项等项目的资助。 

 

      

   

  麦稻的典型形态特征鉴定 

    

   

  麦稻调控基因OsMADS1Olr的图位克隆 

   

  OsMADS1种子特异性干扰转基因植株的表型分析 


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