水稻穗型發育的分子調控機理研究

《水稻穗型發育的分子調控機理研究》是依託華南農業大學，由劉耀光擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：水稻穗型發育的分子調控機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：劉耀光
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

水稻穗型是最重要的產量性狀之一。水稻穗型發育包括花序分生組織發生、一次和二次枝梗原基發生髮育、小穗和穎花器官發生髮育等過程，其中一次二次枝梗和小穗發育狀態決定了穗大小和每穗穎花數。目前已克隆了至少28個水稻穗型或小穗發育相關的基因，但其調控和互作關係還不很清楚。我們從水稻獲得了一個大穗型突變體lp2，其一次和二次枝梗數增多，每穗穎花數大幅增加（176.5%）。利用LP2lp2分離株系的分群混合高通量測序法，我們快速定位和克隆了目標基因為一個bHLH轉錄因子基因。本項目將研究該基因的生物學功能和遺傳變異，分析對已知和未知的水稻穗建成發育相關基因的互作及其表達調控，揭示穗型發育的分子遺傳調控網路。另一方面，基於其隱性遺傳突變的特性，利用CRISPR/Cas9基因修飾系統對多個秈稻和粳稻優良品種的該基因進行功能弱化和功能缺失的修飾，培育更高產的新品種（系），探索新的高效作物分子育種技術方法。

結題摘要

株型、株高和穗型發育是作物高產育種的重要農藝性狀。本項目利用一個水稻穗型突變體進行基因定位，在定位區選擇17個候選基因進行基於CRISPR/Cas9基因編輯技術的功能敲除。其中一個編碼鋅指結構蛋白的基因OsZFN421的敲除產生了株型和穗型等多種性狀發生了變異，包括株高降低了24.4%，穗長減少了33.3%，穗粒數減少了36.7%，粒重減少26.0%，結實率有所下降。該突變系的伸長莖的細胞長度與野生型的差異不顯著，其莖的縮短主要是細胞數目減少。OsZFN421定位到細胞核。將oszfn421突變體和野生型日本晴的小苗進行了轉錄組測序，分析發現赤黴素GA相關的雙萜合成途徑的基因表達量差異最明顯，表明oszfn421突變性狀與GA合成途徑可能密切相關。分析了oszfn421突變體與各種激素回響的關係，發現與油菜素內脂無關；發現突變體在噴施了GA3後株高高於清水對照，說明突變體對外源GA3有回響，植株內GA受體活性正常。而突變型株高接近多效唑（GA抑制劑）處理的野生型株高，推測矮化表型可能是內源赤黴素合成減少導致的。進一步測定突變體小苗具有生物活性的內源赤黴素GA1及GA3含量和其它種類GA含量，發現突變體的GA1及GA3含量和其它GA都較野生型含量低。並且,GA合成途徑的第一個產物GA12及其下游各種GA產物在突變體的含量均比野生型的含量低，暗示oszfn421突變造成矮化成因是抑制了催化GA12合成的上游因子。本項目克隆的轉錄因子基因OsZFN421在調控水稻細胞發育，進而在控制植株的株型株高，穗型，粒型等多種性狀中發揮重要作用。該基因可能通過調控GA代謝的遺傳網路發揮作用，因此是一個重要的GA代謝調控子。通過對該基因進行表達調控，可望在水稻遺傳改良中具有重要的套用價值。