科學家揭示水稻粒寬與粒重調控新機制

近日，中國農業科學院作物科學研究所萬建民院士領銜的水稻功能基因組學創新研究組，在水稻粒寬與粒重調控機制研究中取得重要進展。研究人員經過多年努力，揭示了控制水稻粒寬與粒重關鍵基因GW5通過調節油菜素內酯（brassionsteroids， BR)信號途徑調控水稻籽粒發育的新機制，初步闡述了其功能作用模式與遺傳調控網路，為水稻高產育種提供了重要的理論依據。該項研究成果於2017年4月10日在線發表在Nature Plants雜誌上。

水稻粒型是決定籽粒重量進而影響水稻產量和品質的重要性狀。GW5/qSW5為較早報道的控制水稻粒寬、粒重且效應較強的數量性狀基因座（QTL）。GW5/qSW5在水稻資源中普遍存在，受環境影響較小且對粒型性狀貢獻率較高，對培育優質高產水稻品種具有重要的應用價值。早在2008年，萬建民研究組與日本Yano研究團隊分別將GW5/qSW5位點成功定位在同一重疊區間內，發現存在於寬粒品種中的1,212-bp缺失與粒寬性狀關聯，並驗證該缺失在水稻人工馴化和育種改良過程中被高強度地選擇以增加水稻產量。然而，兩研究團隊預測的GW5/qSW5候選基因卻不相同，且均未報道對所預測基因的功能驗證結果。因此，對於GW5/qSW5位點的功能基因需要進一步明確。

萬建民研究組科研人員經過深入研究，明確了位於該1,212-bp缺失區域上游一個編碼鈣調蛋白的基因，能夠顯著影響水稻粒寬，是GW5/qSW5位點的候選基因，仍命名為GW5，其主要在水稻籽粒發育時期的穎殼中表達。存在於寬粒品種的1,212-bp缺失通過調控GW5的表達量進而調控籽粒大小。進一步研究發現，GW5蛋白定位在細胞質膜上，並可與油菜素內酯信號途徑中的一個關鍵激酶GSK2直接互作，抑制GSK2磷酸化下游兩個轉錄因子BZR1和DLT活性，使得非磷酸化狀態的BZR1與DLT積累並進入細胞核中，調控BR下游響應基因表達，進而調控水稻粒型等生長發育過程。研究人員還發現，通過CRISPR技術將GW5基因敲除，可以增加其它不含1,212-bp缺失的水稻品種籽粒的粒寬和粒重，達到增產的效果。上述研究結果揭示了水稻中BR信號途徑和籽粒發育調控的一種新機制，並為其它禾穀類作物的增產提供了新的思路。

該論文以中國農業科學院作物科學研究所為第一完成單位，博士研究生劉家范和陳雋為論文共同第一作者，萬建民與王海洋研究員為共同通訊作者。本研究得到了「國家自然科學基金重大研究計劃」、「十三五國家重點研發計劃」及「轉基因生物新品種培育」重大科技專項的資助。

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