Plant Physiol | 华中农业大学李一博课题组发现水稻粒形和产量主效基因GWY10及其调控新机制

学术 2024-09-02 19:59 山东

水稻（Oryza sativa L）是世界上重要的主要粮食作物。稻米不仅为人类提供淀粉、蛋白质、脂质和矿物质营养素，而且是世界上一半以上人口的食物来源。水稻粒形具有遗传力高、受环境因素影响力小的特点，是决定稳产的关键发育性状之一。因此，挖掘新的粒形调控基因并解析其分子调控网络，为水稻高产育种提供重要基因资源。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室/洪山实验室李一博教授课题组在Plant Physiology在线发表了题为The quantitative trait locus GWY10 controls rice grain width and yield的研究论文。该研究鉴定到水稻粒宽和产量基因GWY10，并发现该基因启动子上的自然变异导致水稻中bZIP类转录因子家族成员OsbZIP47对其转录水平差异调控，从而导致粒宽和产量发生变化；同时也鉴定到编码细胞肌动蛋白的GWY10与细胞周期蛋白依赖激酶CDKB2可能位于同一路径，共同调控水稻籽粒宽度和产量。

为了挖掘水稻粒形调控新QTL，该研究利用了团队前期开发的RapMap技术，利用F₂代粒宽群体快速鉴定并克隆到粒宽调控基因GWY10，并证明其转录水平的差异是导致粒宽发生变化的原因。利用水稻GWY10的基因编辑材料证明，GWY10负调控籽粒宽度和产量，在强功能背景下对其进行敲除后，籽粒宽度和产量有显著增加，且不影响稻米品质。对GWY10进行单倍型分析后发现其具有明显的籼粳分化，地理分布也存在显著差异，这意味着GWY10在适应不同环境的过程中可能经历了不同的驯化过程（下图）。

进一步对GWY10启动子变异进行分析后发现，其ATG上游存在一个SNP变异导致转录因子OsbZIP47的顺式作用元件发生变化。一系列实验证明，在GWY10弱功能亲本ZH11中，由于顺式作用元件发生SNP变异，导致OsbZIP47不能识别并结合在GWY10启动子区行使转录激活的功能，从而使得GWY10表达水平较低，产生宽粒和产量高的表型；在GWY10强功能亲本中，OsbZIP47可以正常识别并结合其启动子G-box元件并发挥转录激活效应，使得GWY10高表达，从而导致粒宽变窄、产量降低。GWY10编码一种保守的肌动蛋白，我们还通过实验鉴定到它与细胞周期蛋白激酶CKDB2存在互作关系，推测他们可能位于共同路径参与调控水稻粒宽和产量的变化（下图）。

综上，籽粒大小是决定作物产量和育种的关键农艺性状。本研究揭示了OsbZIP47-GWY10-CDKB2介导的水稻粒宽和产量调控新模型。OsbZIP47作为一个转录因子，通过与GWY10启动子的差异结合来调节其表达，而保守的肌动蛋白GWY10可能与保守的细胞周期蛋白激酶CKDB2形成新的调控路径来调控水稻粒形和产量，同时不影响稻米品质。从粳稻单倍型中获得GWY10自然变异将更有助于后续在水稻及其他作物的育种和产量提升方面提供新的基因资源。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室、生命科学技术学院博士Waseem Abbas、博士生孙琪为文章的并列第一作者，李一博教授为该论文通讯作者；李一博课题组成员Abdullah Shalmani、许鹏坤、樊亚伟、张德建、吴蒙恩、李星星及崔亚娜参与了该研究工作。该研究得到国家重点研发计划、科技创新-2030农业生物育种重大项目、国家自然科学基金（含外国青年学者研究基金）、湖北洪山实验室、中央高校基本科研业务费、湖北省重点研发计划等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae456

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3ODY3MDM0NA==&mid=2247539239&idx=3&sn=7415cac37d4f5c84c756d3789cbdafb5

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