上海生科院揭示水稻籽粒大小调控机制

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所国家基因研究中心团队在水稻控制籽粒大小的分子机制研究方面取得重要进展。他们经过多年的努力成功克隆和鉴定了一个控制水稻粒长与千粒重的关键基因GLW7，并深入研究了其分子机理及在水稻遗传改良中的作用，相关研究论文于3月7日在线发表在Nature Genetics（《自然·遗传学》）上。

水稻经过长期的自然选择和人工驯化，形成了适应不同地域栽培的优良品种，在这些丰富多样的品种中蕴涵着许多重要的农艺性状基因。世界上的栽培稻主要是亚洲栽培稻，而亚洲栽培稻又被分为粳稻与籼稻两个亚种。籼稻比较适于生长在高温、强光和多湿的热带及亚热带地区，而大部分粳稻品种比较适于生长在气候暖和的温带，也有一部分品种适于种植在亚热带或热带地区。因此粳稻又可以分为温带粳稻(Temperate japonica)和热带粳稻（Tropical japonica，又称爪哇稻）。热带粳稻与温带粳稻在粒型、穗型、株型等方面有很大差异。典型的籼稻籽粒为长粒型，典型的粳稻籽粒为短、圆型，而热带粳稻的籽粒通常是大粒型（即粒长与籼稻相似，但子粒的重量更重一些）。水稻籽粒的大小是影响产量和品质的重要因素，之前，控制热带粳稻和温带粳稻品种间这一典型籽粒性状差异的遗传机制尚不清楚。

植生生态所研究员、中科院院士韩斌和国家基因研究中心团队通过开发一套整合的全基因组关联分析的方法，即通过对381份粳稻材料（包含40份热带粳稻和341份温带粳稻）的粒长和千粒重开展全基因组关联分析 (GWAS)，定位到一个既控制粒长又决定千粒重的关键数量性状位点QTL-GLW7，并进一步整合基因组变异和全基因组基因表达谱信息，以及水稻突变体材料的分析和转基因实验鉴定，最终成功克隆到控制水稻粒长和粒重的关键基因GLW7。研究发现，GLW7为编码一类高等植物特有的SPL转录因子基因，因此被命名为OsSPL13。该基因在穗发育及颖壳发育时期特异性表达，但是GLW7在大粒型水稻材料中的mRNA和蛋白表达量均显著高于小粒型品种材料。转基因实验表明，该基因不仅可以使水稻籽粒增大，同时还能显著增加穗长、一级枝梗和二级枝梗数目以及每穗粒数，最终增加水稻产量。研究发现并证明GLW7主要是通过增加细胞的大小而使籽粒的体积变大。

进一步群体遗传学分析发现，在水稻的遗传改良过程中，大粒基因GLW7是从籼稻通过遗传漂移渗透到热带粳稻以及少量的温带粳稻中，从而改良了粳稻的千粒重和产量。这项研究不仅完善了基于全基因组关联分析的水稻复杂性状基因鉴定的方法，同时也阐明了调控水稻籽粒大小的新的分子机制。更为重要的是，该基因将为粳稻的高产优质育种提供非常重要的基因资源，有着广阔的应用前景，可以直接用于水稻的分子设计育种。