水稻株型發育遺傳調控網路的解析

《水稻株型發育遺傳調控網路的解析》是依託中國農業大學，由孫傳清擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：水稻株型發育遺傳調控網路的解析
• 依託單位：中國農業大學
• 項目負責人：孫傳清
• 項目類別：重大研究計畫

項目摘要

株型是產量建成的形態學基礎，塑造理想株型將有利於提高水稻單產潛力。近年來已經成功克隆了多個控制水稻株型的重要基因，但是其遺傳調控網路尚不清楚。本項目擬在前期克隆水稻株型相關基因TAC1、PROG1和SUP1（PROG1抑制基因）的基礎上，通過正向和反向遺傳學方法，繼續分離、克隆株型發育調控途徑中的新基因，驗證其功能，鑑定其調控位點和下游調控基因；分析水稻株型相關基因的遺傳互作關係，構建株型發育遺傳調控網路；採用關聯分析方法鑑定株型調控相關基因的功能性位點，明確不同等位基因的遺傳效應，從野生稻和栽培稻中挖掘具有套用潛力的優良等位基因。本項目研究結果為解析水稻株型發育遺傳調控網路這一重要科學問題提供重要參考，同時還為株型及產量性狀的分子改良提供理論基礎。

結題摘要

株型是產量形成的形態學與生理學基礎，塑造理想株型將有利於提高水稻產量。雖然已經鑑定了多個控制水稻株型的重要基因，但是其遺傳調控網路尚不清楚。本項目繼續克隆株型發育調控途徑中的新基因，構建株型發育遺傳調控網路。通過進一步分析PAY1調控水稻株型和產量的機理和LABA1控制芒長及芒刺的發育機理。發現PAY1基因調控生長素的合成以及極性運輸能力，進而改變了體內生長素的極性分布，改良株型，增加穗粒數，提高產量。LABA1編碼一個細胞分裂素活性酶，通過影響芒原基細胞分裂素的水平，控制芒刺形成和芒的伸長受阻。通過正向遺傳學方法，鑑定了TAC3、TAC4、TAC8及HTD12等4個控制株型發育新基因。其中，TAC3突變，使莖基部外側的生長素含量下降，導致分櫱向重力性降低，分櫱角度增大分櫱角度增大、株型變鬆散、株高顯著下降，穗粒數、千粒重和單株產量均顯著下降。TAC8源自野生稻，位於第8染色體，其C端具有轉錄激活活性，能夠顯著上調TAC1、PCNA等相關基因的表達。野生稻的TAC8可能特異地在莖基部的遠地側表達，使該部位的細胞伸長變大，莖基部兩側的細胞大小差異減小，分櫱角度增大。htd12源自一個簇生矮稈多分櫱的水稻突變體，位於第12染色體著絲點附近。下調HTD12 的表達，株高降低、分櫱數增加、穂粒數減少；上調HTD12表達，則表現株高增加、分櫱減少、穂粒數增加。HTD12參與類胡蘿蔔素的合成，該基因突變使類胡蘿蔔素合成合成受阻，影響獨角金內酯（SLs）及油菜素內酯（BR）的合成，從而引起株高、分櫱數等性狀的改變。TAC4控制分櫱角度和穗粒數基因，位於第4染色體，下調錶達分櫱角度變大，株型都變得鬆散，穗粒數減少。TAC4蛋白被定位在細胞核，在葉鞘枕和莖稈等輸導組織豐富的部位持續高表達，並在葉片、根和幼穗中也有較高表達。通過分析PAY1、TAC3、TAC4、TAC8、HTD12與GROG1和TAC1之間的關係，初步構建了水稻株型遺傳調控網路。本項目研究結果不僅為解析水稻株型發育遺傳調控網路這一重要科學問題提供重要基礎，同時還為株型及產量性狀的分子改良提供了重要基因。