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项目文章 | Nat Commun:刘巧泉教授团队发现水稻粒形与外观品质调控基因GS9

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浏览:- 发布日期:2018-10-09 15:57:41【

恭喜欧易生物客户刘巧泉教授团队水稻粒形与外观品质调控研究重要进展发表在 Nat Commun (IF: 12.124)

水稻粒形决定基因的鉴定可以促进有最佳谷粒形状和外观品质的水稻品种的培育。文章通过图位克隆筛选到一个与粒形相关的基因 GS9。GS9 无效突变体籽粒细长,而过表达 GS9 导致形成圆形籽粒。GS9 编码一种没有已知保守功能域的蛋白质,它通过改变细胞分裂来调节颗粒形状。 GS9 和卵形家族蛋白 OsOFP14 和 OsOFP8 之间的相互作用受 OsGSK2 激酶(一种油菜素类固醇信号通路的关键调节因子)调节。 遗传互作分析表明,GS9 的功能独立于其他已知籽粒大小基因。 将gs9等位基因转入优质水稻品种可显着改善粒形和外观品质。

【背景介绍】

水稻的粒形是水稻产量和品质的关键决定因素之一。一般而言,大粒径高产但品质差。因此水稻育种的一个重要目标是高产加理想的粒形。目前的研究已经克隆了几个控制水稻粒形的基因的主效 QTL,其中大多数基因控制颗粒大小和产量,但对于外观品质改善有限。并且对这些基因的调控机制和调控网络研究并不清晰。因此,筛选决定粒形的其他基因 / QTL,对于进一步揭示谷粒性状分子决定机制、培育高产优质品种具有重要意义。

【研究内容】

1、粒形决定基因的克隆

水稻染色体片段置换系 CSSL N138 具有和日本晴相同的粒重、但粒形更为细长(图1)。N138 与日本晴杂交 F2 代中正常粒形与细长粒形分离比为 3:1,表明 N138 中控制细长粒形的是一个隐性基因,利用 F3 群体进行图位克隆,最终将这一基因锁定在 9 号染色体,并命名为 GS9 (Grain Shap Gene on Chromosome 9)。

图1:CSSL N138 与日本晴在粒长、粒宽上差异明显

2、GS9 基因功能确认

携带有 GS9 基因的日本晴背景的近等基因系 NIL-gs9 同样具有更为细长的粒形。在利用 CRISPR/Cas9 技术导致 GS9 突变的品系中,粒形表现为更细长;而在 GS9 过表达的品系中,表现为圆形籽粒。

图2:与日本晴相比,NIL-gs9、GS9 突变体(NPB-cas9-1)具有更为细长粒形,GS9 过表达品系(NPB-OE-1)表现为圆形籽粒

3、GS9 通过影响细胞分裂调控粒形

NIL-gs9 与日本晴小穗颖壳相比,横向细胞数量减少,但细胞大小增加。推测 NIL-gs9 粒形变得更为细长,是由于小穗颖壳中纵向细胞长度的增大和横向细胞数量减少导致的。

4、GS9 与 OsOFP14 和 OsOFP8 相互作用

为进一步研究 GS9 的调控机制,利用酵母双杂交文库,共筛选到 11 个与 GS9 存在相互作用的蛋白质。其中的 OsOFP14 属于 OFP 蛋白家族,该家族通常起到调控果实形状的功能。BiFC 实验显示,GS9 蛋白和 OsOFP14 的互作发生在细胞核内;dual-luciferase 实验显示 OsOFP14 可以抑制 GS9 的转录。

利用酵母双杂交系统,发现同属于 OFP 蛋白家族的 OsOFP8 也可以和 GS9 发生互作。dual-luciferase 实验发现 OSOFP8 同样可以抑制 GS9 的转录,但这一抑制作用可以被 OsGSK2 部分恢复。

图3: 酵母双杂交实验显示,GS9 蛋白和 OsOFP14、OsOFP8 存在相互作用

图4: OsOFP14 和 OsOFP8 对 GS9 的调控

5、GS9 对基因表达的影响

为进一步研究 GS9 基因对基因表达的影响,对 NIL-gs9 和日本晴进行了转录组测序,结果显示 gs9 突变会导致一系列基因的变化,特别是 DNA 结合活性和细胞分化;比较有意思的是,虽然上述研究表明 GS9 可以和 OFP 家族蛋白结合,但在 RNA 层面上,gs9 的突变并未引起 OFP 基因的表达变化。

6、GS9 独立于其他粒形决定基因

GW5 和 GS3 是两个已经报道的可以控制水稻粒形的基因,为了研究它们与 GS9 之间的调控关系,将携带与 GW5、GS3 的 NIL 与 NIL-gs9 杂交,后代表现出更为细长的粒形,表明 GS9、GW5、GS3 对于粒形的决定具有加性效应;突变 gs9 对于其他粒形决定基因没有影响,表明相互之间没有直接的调控关系。

7、gs9 转入显著改善水稻品质

通过多次回交将 gs9 导入 WYJ8 和 WYJ27 品系,或采用 CRISPR/Cas9 对 Y8 品系 GS9 基因进行编辑,子代均表现出更为细长的粒形。

本研究表明,GS9 的发现为培育具有最佳粒形的水稻新品种提供了新的基因资源。

文章中酵母双杂交文库、转录组测序服务均由欧易生物提供

参考文献

Zhao DS, Li QF, Zhang CQ, et al. GS9 acts as a tranional activator to regulate rice grain shape and appearance quality [J]. Nat Commun 2018; 9: 1240.

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本文系欧易生物(oebiotech)原创

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