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Nat Plants:中科院遗传所储成才研究组和福建农科院赵明富研究组联合揭示水稻籽粒大小调控机制

摘要 : 2015年12月22日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Plants》上在线发表中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究员与福建省农业科学院赵明富研究员联合发布的一篇研究论文,论文揭示了水稻籽粒大小调控机制。

 2015年12月22日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Plants》上在线发表中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究员与福建省农业科学院赵明富研究员联合发布的一篇研究论文,论文揭示了水稻籽粒大小调控机制。储成才研究组博士后车荣会博士和童红宁副研究员为该文章的共同第一作者,成才研究员和赵明富研究员为论文通讯作者。

水稻产量由分蘖数、穗粒数和粒重三要素所决定。所谓分蘖数是指每一株水稻发育到后期所产生的分枝数,而穗粒数是指每一分枝上拥有的籽粒数,粒重则是指每粒种子的重量,很大程度上粒重由种子的大小和灌浆程度所决定。尽管分蘖数、穗粒数和粒重最终决定了水稻产量,然而,在实际育种工作中,这三者间却存在非常强的负相关,也就是说,分蘖数增加往往导致穗粒数减少或籽粒变小,穗粒数增加常常会导致分蘖数减少、籽粒变小,籽粒变大导致分蘖数减少或穗粒数减少等。因此,在育种实践中,育种家很难获得三者同时具有正向效应的育种材料。

中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组与福建农科院赵明富研究组经过10多年的合作,从一个非常稀有的水稻大粒材料RW11中克隆了一个控制水稻粒长的显性关键因子GL2。GL2编码一个植物类特异性转录因子——生长调控因子,通过常规的杂交将RW11中的GL2回交转育到小粒水稻品种博白B中,改良的博白B品种籽粒灌浆速度明显加快,千粒重由19.38克增加到24.64克,增加27.1%,最为重要的是,含有GL2的近等基因系不仅籽粒增大,分蘖数和穗粒数也有显著增加,从而使单株产量增加16.6%。进一步通过生理、生化及遗传学等手段对GL2调控水稻籽粒大小的分子机制进行详细研究,科研人员发现了重要植物激素——油菜素内酯信号途径下游的一条调控籽粒大小的特异性分支途径,这项研究不仅诠释了调控水稻籽粒大小的分子机制,更为重要的是,为水稻高产育种提供了非常难得的育种材料和基因资源。

图1 GL2特异性的调控籽粒大小而不改变株型。BBB,博白B,小粒水稻品种;RW11,大粒水稻品种。NIL-GL2,利用GL2改良的博白B品种。

原文链接:

Control of grain size and rice yield by GL2-mediated brassinosteroid responses

原文摘要:

Given the continuously growing population and decreasing arable land, food shortage is becoming one of the most serious global problems in this century1. Grain size is one of the determining factors for grain yield and thus is a prime target for genetic breeding2,3. Although a number of quantitative trait loci (QTLs) associated with rice grain size have been identified in the past decade, mechanisms underlying their functions remain largely unknown4,5. Here we show that a grain-length-associated QTL, GL2, has the potential to improve grain weight and grain yield up to 27.1% and 16.6%, respectively. We also show that GL2 is allelic toOsGRF4 and that it contains mutations in the miR396 targeting sequence. Because of the mutation, GL2 has a moderately increased expression level, which consequently activates brassinosteroid responses by upregulating a large number of brassinosteroid-induced genes to promote grain development. Furthermore, we found that GSK2, the central negative regulator of rice brassinosteroid signalling, directly interacts with OsGRF4 and inhibits its transcription activation activity to mediate the specific regulation of grain length by the hormone. Thus, this work demonstrates the feasibility of modulating specific brassinosteroid responses to improve plant productivity.

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