科學家在水稻種子大小研究中取得進展

水稻是我國的主要糧食作物之一，其產量主要由粒重、穗粒數和有效穗數決定。因此水稻的籽粒大小影響著水稻的產量。水稻育種家正在利用籽粒大小自然變異改良水稻產量和品質。目前已經克隆了一些控制水稻籽粒大小的重要基因，但水稻籽粒大小調控的分子機理仍不清楚，且只有很少幾個籽粒大小基因的等位變異已被育種家廣泛利用。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所李雲海研究組與中國水稻研究所錢前研究組、中國科學院植物研究所葛頌研究組合作，通過對 102 份秈稻品種進行基因組測序，對籽粒大小進行表型分析，通過全基因組關聯分析和基因表達分析，定位到一個控制粒寬的關鍵數量性狀位點 GSE5。通過基因表達分析、基因敲除和轉基因功能互補驗證等方法證明 GSE5 基因在不同水稻品種間的差異表達是造成粒寬差異的主要原因。研究發現部分秈稻品種 GSE5 啟動子有 950 鹼基缺失（DEL1），大部分粳稻品種 GSE5 啟動子有 1.2kb 缺失（DEL2），DEL1 和 DEL2 降低了 GSE5 表達量，從而導致籽粒變寬。在 46.1% 的秈稻品種中，GSE5 啟動子含有 DEL1 和 367 bp 插入，而 81.3% 的粳稻品種 GSE5 啟動子含有 DEL2。研究表明秈稻品種中 DEL1 和粳稻品種中的 DEL2 均造成 GSE5 基因表達量的下降，導致粒寬增加。運用 CRISPR/Cas9 技術敲除 GSE5 基因可以使籽粒進一步變寬、粒重增加。相反，GSE5 過表達植株種子細長。GSE5 通過影響種子的細胞數目來控制籽粒寬度。現代栽培稻是通過普通野生稻進化而來，對不同地區普通野生稻 GSE5 的序列分析表明，現代栽培稻中 GSE5 的不同單倍型是從不同的野生稻選育而來。該研究闡明了秈稻品種間和秈粳亞種之間粒寬差異的分子遺傳基礎，有望進一步利用 GSE5 基因改良水稻籽粒大小和產量，對於水稻高產育種具有重大意義。

該項工作於 3 月 30 日在線發表於《分子植物》（Molecular Plant，DOI:10.1016/j.molp.2017.03.009），李雲海研究組的助理研究員段朋根和博士後徐勁松為該論文的共同第一作者。該研究得到了科技部、中科院戰略先導專項、國家自然科學基金委和國家轉基因專項等項目資助。