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Nat Commun:中科院遗传所李家洋研究组等揭示水稻理想株型基因超高产等位位点的克隆与作用机理

摘要 : 2017年3月20日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院植物生理生态研究所何祖华研究组和遗传发育研究所李家洋研究组合作的一篇研究论文

2017年3月20日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院植物生理生态研究所何祖华研究组和遗传发育研究所李家洋研究组合作的一篇研究论文,何祖华研究组毕业博士生和植物逆境中心李建明研究组博士后张林与遗传发育所李家洋研究组副研究员余泓博士为该论文的共同第一作者,何祖华研究员和李家洋研究员为共同通讯作者。

水稻株型是决定水稻产量的主要因素之一,也是决定抗倒性的主要农艺性状,水稻理想株型的塑造是提高水稻产量的重要途径。控制水稻理想株型的主基因IPA1 (Ideal Plant Architecture 1) 编码一个含SBP-box的转录因子,参与调控多个生长发育过程。我国近些年培育的很多超级稻品种都具备理想株型特征,然而其分子遗传调控机制一直没有得到挖掘。李家洋研究组与何祖华研究组等合作,在水稻理想株型优异等位位点克隆及精细调控机理上取得新进展。

利用超级稻品种甬优12的原始育种品系,通过图位克隆的方法,克隆了调控株型的主效位点qWS8/ipa1-2D,该位点位于IPA1基因上游的一段大片段三元串联重复序列,这一基因组结构变异导致了IPA1启动子区甲基化水平降低,IPA1基因表达量上升,从而使植株出现理想株型的表型,并同时具有适当的分蘖数。根据基因组重测序结果,推测该新位点大约上世纪60年度起源于我国东南沿海。。进一步研究表明,IPA1对株型有着精细的剂量调控效应,利用IPA1的不同等位位点,实现IPA1的适度表达是形成大穗、适当分蘖和粗秆抗倒理想株型的关键。利用ipa1(现定名为ipa1-1d )及ipa1-2d新位点,与嘉兴农科院合作育成了嘉优中科系列品种,增产效果显著,实现了超级稻新品种的分子设计育种。该研究为今后水稻理想株型的分子设计育种提供了重要遗传资源和技术途径,并为进一步解析水稻株型精细调控机理和水稻新品种设计培育奠定了基础。

图示显示不同自然等位组合能够创造不同的IPA1基因表达水平,从而对分蘖数和穗型产生剂量化影响,合理平衡分蘖数和穗粒数,从而达到最高产量潜力;该图也说明通过不同的等位组合,育种家可以创造出符合不同种植环境和遗传背景的株型特征,提高育种的可操作性。

原文链接:

A natural tandem array alleviates epigenetic repression of IPA1 and leads to superior yielding rice

原文摘要:

Super hybrid rice varieties with ideal plant architecture (IPA) have been critical in enhancing food security worldwide. However, the molecular mechanisms underlying their improved yield remain unclear. Here, we report the identification of a QTL, qWS8/ipa1-2D, in the super rice Yongyou12 (YY12) and related varieties. In-depth genetic molecular characterization of qWS8/ipa1-2D reveals that this newly identified QTL results from three distal naturally occurring tandem repeats upstream of IPA1, a key gene/locus previously shown to shape rice ideal plant architecture and greatly enhance grain yield. The qWS8/ipa1-2Dlocus is associated with reduced DNA methylation and a more open chromatin state at the IPA1 promoter, thus alleviating the epigenetic repression of IPA1 mediated by nearby heterochromatin. Our findings reveal that IPA traits can be fine-tuned by manipulating IPA1 expression and that an optimal IPA1 expression/dose may lead to an ideal yield, demonstrating a practical approach to efficiently design elite super rice varieties.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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