王永红课题组发现水稻高产新基因并揭示其调控穗粒数的重要机制
文章作者:        发布时间: 2021-03-25                 浏览次数: 638

水稻是重要的粮食作物之一,水稻产量由每穗粒数、有效分蘖数、结实率和千粒重等因素所共同决定。其中,穗粒数对产量的贡献最大,但常常与其他性状(如分蘖数)呈现负相关。因此,挖掘水稻穗粒数的控制基因、揭示水稻穗粒数特异调控的分子机理及遗传网络,对于定向改良水稻穗粒数、培育高产水稻新品种具有重要意义。王永红教授团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队、林少扬研究员团队、中国科学院分子植物卓越中心韩斌院士团队、上海师范大学黄学辉教授团队合作,发现了特异调控水稻穗粒数的新基因OsREM20及其调控水稻穗粒数的新机制

反向重复Inverted RepeatIR序列是一类广泛存在于动植物基因组中的DNA序列,对基因组的结构和基因表达都有重要影响。然而,多数研究是利用生物信息学对IR序列进行预测和分析,而对IR调控基因表达的分子机理还缺乏深入研究。与IR序列不同,顺式调控元件在基因表达和作物性状改良方面的作用已有大量研究。但关于顺式调控元件和IR序列协同调控基因表达的研究则未见报道。该研究发现,OsREM20启动子区域存在携带CArG元件的IR序列,并证实该IR序列可限制OsMADS34CArG元件的直接结合和调控作用。进一步的单倍型分析和群体遗传学研究发现,IR序列在不同水稻品种中存在多处遗传变异,可将OsREM20分为两种主要的单倍型,即含有完整IR序列的pOsREM20IR和非完整IR序列的pOsREM20ΔIR。在不同水稻品种中,IR序列的这种遗传变异直接影响OsMADS34CArG元件的结合能力,从而导致OsREM20的表达量变化及穗粒数差异。研究表明,pOsREM20IRpOsREM20ΔIR来源于不同的野生稻种质,在水稻驯化过程中分别遗传到了粳稻和籼稻品种中,从而决定了籼、粳稻的穗粒数表型差异(图1)。田间试验表明,通过基因编辑或传统育种方法将粳稻品种中pOsREM20IR单倍型改良为pOsREM20ΔIR单倍型,可以显著提高穗粒数,具有显著的增产效应。。

综上,该研究为水稻穗粒数改良、进而提高产量提供了有利用价值的基因资源。考虑到绝大多数粳稻品种携带pOsREM20IR单倍型,利用现代基因编辑技术直接编辑该IR序列可应用于栽培粳稻品种的定向改良,有望快速实现粳稻品种产量的新突破。同时,该研究也首次揭示了启动子区域的顺式调控元件与反向重复序列协同调控基因表达的新机制,为操纵基因表达进而改良作物农艺性状提供了一种新策略。

相关研究结果于2021316日在线发表在Molecular Plant。中科院遗传发育所武小伟博士和我院梁彦副教授为该论文的共同第一作者,王永红教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性科技先导专项(B类)以及山东省顶尖人才“一事一议”项目的资助。


图1 OsREM20调控水稻穗粒数及参与籼、粳稻穗粒数表型分化的工作模型