万建民pnas Nat Plants:农科院万建民院士研究组揭示水稻粒宽与粒重调控新机制
2017年4月10日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Plants》杂志在线发表了中国农业科学院作物科学研究所水稻功能基因组学创新研究组万建民院士关于水稻粒宽与粒重调控机制研究进展,研究揭示了控制水稻粒宽与粒重关键基因GW5通过调节油菜素内酯(brassionsteroids, BR)信号途径调控水稻籽粒发育的新机制,初步阐述了其功能作用模式与遗传调控网络,为水稻高产育种提供了重要的理论依据。
博士研究生刘家范和陈隽为论文共同第一作者,万建民院士与王海洋研究员为共同通讯作者。
据悉,水稻粒型是决定籽粒重量进而影响水稻产量和品质的重要性状。GW5/qSW5为较早报道的控制水稻粒宽、粒重且效应较强的数量性状基因座(QTL)。GW5/qSW5在水稻资源中普遍存在,受环境影响较小且对粒型性状贡献率较高,对培育优质高产水稻品种具有重要的应用价值。
早在2008年,万建民带领科研人员与日本相关科研团队分别将GW5/qSW5位点成功定位在同一重叠区间内,发现存在于宽粒品种中的1,212-bp缺失与粒宽性状关联,并验证该缺失在水稻人工驯化和育种改良过程中被高强度地选择以增加水稻产量。
然而,两研究团队预测的GW5/qSW5候选基因却不相同,且均未报道对所预测基因的功能验证结果。因此,对于GW5/qSW5位点的功能基因需要进一步明确。
科研人员经过深入研究,明确了位于该1,212-bp缺失区域上游一个编码钙调蛋白的基因,能够显著影响水稻粒宽,是GW5/qSW5位点的候选基因,仍命名为GW5,其主要在水稻籽粒发育时期的颖壳中表达。存在于宽粒品种的1,212-bp缺失通过调控GW5的表达量进而调控籽粒大小。
进一步研究发现,GW5蛋白定位在细胞质膜上,并可与油菜素内酯信号途径中的一个关键激酶GSK2直接互作,抑制GSK2磷酸化下游两个转录因子BZR1和DLT活性,使得非磷酸化状态的BZR1与DLT积累并进入细胞核中,调控BR下游响应基因表达,进而调控水稻粒型等生长发育过程。
研究人员还发现,通过CRISPR技术将GW5基因敲除,可以增加其它不含1,212-bp缺失的水稻品种籽粒的粒宽和粒重,达到增产的效果。上述研究结果揭示了水稻中BR信号途径和籽粒发育调控的一种新机制,并为其它禾谷类作物的增产提供了新的思路。
GW5通过抑制GSK2磷酸化下游转录因子BZR1与DLT来调控籽粒发育
