不同倍性水稻胚乳蛋白的差异表达研究

以4份同源四倍体水稻和4份相应的二倍体水稻为研究材料, 对其种子内清、球蛋白(清蛋白和球蛋白)、醇溶蛋白和谷蛋白的含量进行了测定, 利用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)技术分析了其特异性。结果表明: 同源四倍体水稻胚乳蛋白各组分含量与相应的二倍体相比, 大部分呈增加趋势; 同源四倍体水稻胚乳蛋白的亚基类型与相应的二倍体水稻基本一致, 仅在全蛋白电泳和清、球蛋白电泳中各发现1条差异条带。研究结果认为: 二倍体水稻经过染色体组加倍之后, 同源四倍体水稻重复基因组在蛋白质水平上的表达结果趋于“二倍化”, 即与二倍体水稻表现出相似的特点, 但在蛋白质表达量上前者往往高于后者。基因组多倍化对同源四倍体水稻重复基因组进化最主要的影响并不是体现在蛋白质结构上的差异, 而是体现在蛋白质表达量上的差异。     

缺失OSR结构域功能的GS3蛋白正向调控水稻籽粒大小

水稻种子粒型是影响产量的重要因素。GS3基因是水稻第一个被克隆的粒型基因,主要调控籽粒的粒长和粒重。GS3蛋白包含N端的OSR(Organ size regulation)和C端的Cys-rich功能结构域。GS3基因主要存在4种自然变异类型,分别为GS3-1至GS3-4。其中,GS3-1编码全长GS3蛋白;GS3-2编码的蛋白质插入1个氨基酸;GS3-3导致GS3完整蛋白缺失,表现为籽粒变长;GS3-4编码N端的OSR结构域,表现为籽粒明显变短。截至目前,在水稻自然变异中仍未发现仅编码C端的Cysrich结构域的GS3变异类型,其对籽粒大小的调控也不清楚。本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在DNA序列两侧设计靶点删除大片段序列,创制出仅编码C端Cys-rich功能结构域的突变类型gs3-5,并获得纯合突变株系。与受体背景中花11相比,gs3-5纯合突变株系表现为粒长和千粒重增加。上述结果表明OSR结构域是GS3蛋白作为籽粒大小的负调控因子所必需的,为进一步解析OSR结构域对籽粒大小的调控以及探索新的育种改良方法提供了参考。     

多倍体水稻三系选育初报

普通二倍体（2n)水稻,通过人工诱导染色 体加倍（4n),可形成同源四倍体,与二倍体比 较,形态上一般表现为巨大性：茎秆粗壮、叶色 深而厚,颖花、花粉粒和谷粒都显著增大。但分 孽力减弱,发育延迟,结实率大幅度下降,穗粒 数减少,半饱米增多,米质变劣。因此,四倍体 水稻原种都难以在生产上直接利用。但它普遍 而显著的大粒特性,受到了育种工作者的重视。 一些研究单位,通过四倍体水平上的杂交选育, 对多倍体水稻的一些缺点,在不同程度上得到 了改进。但多倍体育种,也和普通二倍体水稻 一样,对于普遍存在于杂种一代的杂交优势、优 良性状的综合与统一,很难在杂种后代中稳定 地保持下来,这是当前水稻多倍体育种遇到的 主要困难。     

同源四倍体水稻籼型突变体Wx基因序列分析及特异识别分子标记的建立

同源四倍体水稻突变株D4063-1直链淀粉含量比来源二倍体明恢63下降一半,即其直链淀粉含量为5.23%。为研究其直链淀粉含量下降的原因, 根据普通水稻Wx基因设计引物, 扩增测序获得了D4063-1Wx基因的全序列, 并与已报道的Wx基因进行比对分析; 同源四倍体水稻D4063-1Wx基因最显著变化为在外显子序列中发生碱基缺失, 导致移码突变, 在第9外显子终止密码子提前出现。D4063-1Wx基因碱基位点的变化还导致其序列上酶切位点的变化,对常用限制性内切酶位点分析结果表明, 同源四倍体水稻相对于籼稻和粳稻多了2个sphⅠ酶切位点, 相对于粳稻减少了6个AccⅠ, 增加了4个XbaⅠ, 1个XhoⅠ, 1个PstⅠ和1个SalⅠ酶切位点。聚类分析表明D4063-1Wx基因序列与籼稻亲源关系较近, 由此推测D4063-1Wx基因来源于籼稻的Wxa基因型。另外, 根据D4063-1Wx基因的碱基差异, 推测D4063-1Wx基因外显子碱基变化导致的RNA加工障碍是其直链淀粉降低的主要原因, 并可能与其米饭较软等品质相关。本研究还根据D4063-1和籼稻、粳稻的序列差异及D4063-1在该片段上的特征序列位点设计了用于识别D4063-1的寡核苷酸片段,并作为PCR反应的引物命名为AUT4063-1,将该引物与作者设计的扩增普通籼稻、粳稻Wx基因的引物F5配合使用, 建立了识别D4063-1的显性和共显性两种检测方式的分子标记, 为快速、准确鉴别低直链淀粉含量突变体D4063-1创造了条件。     

水稻qGL3.4调控籽粒大小与株型

籽粒大小与株型对水稻产量具有重要影响,因此其相关基因克隆与功能研究对培育高产水稻具有重大的意义。本研究从以短舌野生稻为供体、华粳籼74 (HJX74)为受体的染色体单片段代换系(SSSLs)中鉴定到一个新的调控籽粒大小与株型的QTL位点qGL3.4。与对照HJX74相比,近等基因系NIL-qGL3.4的粒长、粒宽、千粒重、穗长、穗粒数、一次枝梗数、单株产量与株高显著增加,而NIL-qGL3.4的分蘖数和二级枝梗数与HJX74对应值无显著差异。通过图位克隆,将qGL3.4定位在第3号染色体239.18 kb区间内。细胞学分析表明,NIL-qGL3.4通过调节颖壳细胞的生长进而调控籽粒的大小。分子机理研究表明,qGL3.4可能通过调控籽粒大小相关基因EXPANSINs、GS3、GL3.1、PGL1、GL7、OsSPL13和GS5的表达进而调控籽粒大小。本研究可能为高产与理想株型的水稻培育提供新的靶标位点。     

水稻粒型调控相关信号通路的鉴定与解析

水稻是最重要的粮食作物之一，其产量对世界粮食安全影响巨大。提高水稻的产量是育种的永恒主题，也是解决全球人口迅速增长和耕地面积持续下降矛盾的迫切需求。水稻粒型是决定其单株产量的主要因素之一，是受多基因控制的能够稳定遗传的数量性状，由籽粒的粒长、粒宽和粒厚共同决定。籽粒大小由调控母体组织和合子的信号协同控制，与颖壳细胞的增殖和扩张、胚乳的生长发育密切相关。近年来，基于图位克隆和全基因组关联分析技术的发展，对粒型调控机制的的遗传研究逐步深入。大量粒型相关数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)被确定，许多粒型相关基因被克隆并进行了功能解析，这些基因大多表现为一因多效，与其他粒型基因共同协调表达，进而构成调控网络。鉴定和解析水稻粒型调控的遗传和分子机制，能为水稻分子设计育种提供新的思路。本文从胚乳发育和颖壳发育视角，概述了水稻籽粒发育的基本过程，以及粒型相关QTL的研究现状，聚焦于近来取得较大进展的G蛋白信号通路、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)级联、泛素-蛋白酶体途径以及miRNA相关通路在...     

国内信息

超级杂交水稻基因组计划正式启动据悉 ,中国超级杂交水稻基因组计划 5月初在北京正式启动。北京华大基因研究中心、中国科学院遗传所植物生物技术实验室和国家杂交水稻工程技术研究中心的科学家将联手破译超级杂交稻的遗传密码 ,为进一步提高水稻产量和改善品质打下基础。与今年 4月美国孟山都公司宣布无偿公开的水稻基因组项目成果———水稻 (粳稻 )基因组工作草图有所不同 ,我国将进行的是籼稻杂交稻的基因组测序。取得粳稻和籼稻两套基因组的信息 ,将大大加快水稻的育种速度 ,并有望使我国成为最先实现“超级稻计划”的国家。“超级稻计…     

合成六倍体小麦的遗传育种

普通小麦是由四倍体小麦栽培类型与野生二倍体节节麦远缘杂交形成的异源六倍体.普通小麦保持了四倍体小麦的高产潜力,D基因组的加入丰富了食品加工产品类型、增强了环境适应能力.与二倍体作物不同,普通小麦有3个亚基因组,存在大量重复基因,基因组缓冲性、可塑性强,单个基因拷贝可能对育种改良的效果有限.小麦3个亚基因组的遗传多样性是...     

低温预处理提高籼稻花培愈伤组织诱导率和绿苗率的研究

利用水稻花药培养产生单倍体植株,而后加倍成纯合二倍体,不仅可以在杂交育种上克服杂种分离,提早稳定后代性状,缩短育种年限,提高选择效率,而且对创造水稻新类型,丰富水稻种质资源也提供了有效途径。但是目前籼稻花粉植株的诱导率偏低,供     

RNAi介导的OsBTF3基因沉默及其对水稻籽粒相关性状的影响

为了创制OsBTF3基因沉默的水稻植株、验证该基因在水稻籽粒相关性状中的功能、评价其在水稻遗传改良中潜在的应用价值,设计和合成OsBTF3基因序列的引物、扩增部分基因片段,构建RNAi基因沉默载体、通过农杆菌介导转化愈伤组织、植株再生、潮霉素抗性筛选和PCR验证、定量分析OsBTF3基因表达量,测定转基因水稻籽粒相关性状。结果表明,成功地获得了20个T1代OsBTF3-RNAi转基因株系,OsBTF3基因表达量得到显著的抑制和干扰,抑制效果平均达到85%;与野生型对照株相比,5个所测定RNAi转基因株系的穗长、穗粒数、千粒重和穗粒重等籽粒相关性状明显地减小或降低。因此,RNAi介导的基因沉默导致了OsBTF3基因表达水平抑制以及在籽粒性状中的功能缺失;OsBTF3可能是一个调控水稻籽粒相关性状重要的功能基因。     

Translational genomics of grain size regulation in wheat

Key message

Identifying and mapping grain size candidate genes in the wheat genome greatly empowers reverse genetics approaches to improve grain yield potential of wheat.

Abstract

Grain size (GS) or grain weight is believed to be a major driving force for further improvement of wheat yield. Although the large, polyploid genome of wheat poses an obstacle to identifying GS determinants using map-based cloning, a translational genomics approach using GS regulators identified in the model plants rice and Arabidopsis as candidate genes appears to be effective and supports a hypothesis that a conserved genetic network regulates GS in rice and wheat. In this review, we summarize the progress in the studies on GS in the model plants and wheat and identify 45 GS candidate loci in the wheat genome. In silico mapping of these GS loci in the diploid wheat and barley genomes showed (1) several gene families amplified in the wheat lineage, (2) a significant number of the GS genes located in the proximal regions surrounding the centromeres, and (3) more than half of candidate genes to be negative regulators, or their expression negatively related by microRNAs. Identifying and mapping the wheat GS gene homologs will not only facilitate candidate gene analysis, but also open the door to improving wheat yield using reverse genetics approaches by mining desired alleles in landraces and wild ancestors and to developing novel germplasm by TILLING and genome editing technologies.

     

A quantitative trait locus GW6 controls rice grain size and yield through the gibberellin pathway

Grain size is one of the essential components determining rice yield and is a target for both domestication and artificial breeding. Gibberellins (GAs) are diterpenoid phytohormones that influence diverse aspects of plant growth and development. Several quantitative trait loci (QTLs) have been identified that control grain size through phytohormone regulation. However, little is known about the role of GAs in the control of grain size. Here we report the cloning and characterization of a QTL, GW6 (GRAIN WIDTH 6), which encodes a GA‐regulated GAST family protein and positively regulates grain width and weight. GW6 is highly expressed in the young panicle and increases grain width by promoting cell expansion in the spikelet hull. Knockout of GW6 exhibits reduced grain size and weight, whereas overexpression of GW6 results in increased grain size and weight. GW6 is induced by GA and its knockout downregulates the expression of GA biosynthesis genes and decreases GA content in the young panicle. We found that a natural variation in the cis element CAAT‐box in the promoter of GW6 is associated with its expression level and grain width and weight. Furthermore, introduction of GW6 to Oryza indica variety HJX74 can lead to a 10.44% increase in rice grain yield, indicating that GW6 has great potential to improve grain yield in rice.     

Gene expression of the biosynthetic enzymes and biosynthesis of starch during Rice Grain development

Amylose and amylopectin are determinants of the physicochemical properties for starch and grain quality in rice. Their biosynthesis is catalyzed by the interplay of ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), granule-bound starch synthase (GBSS), soluble starch synthase (SSS), a starch branching enzyme (SBE), and a starch debranching enzyme (SDE). In this study, the genes for these enzymes were highly expressed 7 to 28 days after flowering during grain development, and their expression closely matched increases in both starch content and grain weight Among all the tested cultivars, amylose contents in the rice grains remained essentially constant throughout their development The AGPase gene was highly expressed in the high-yield cultivars of both glutinous and non-glutinous rice. The SSS gene was actively expressed when mature GBSS mRNA decreased. Genes responsible for amylopectin biosynthesis were simultaneously expressed in the late stage of grain development. We have now demonstrated that the expression patterns of starch biosynthetic genes differ between glutinous and non-glutinous rice, and between Tongil (a Japonica/ Indica hybrid) and Japonica types.     

The ubiquitin-interacting motif-type ubiquitin receptor HDR3 interacts with and stabilizes the histone acetyltransferase GW6a to control the grain size in rice

For grain crops such as rice (Oryza sativa), grain size substantially affects yield. The histone acetyltransferase GRAIN WEIGHT 6a (GW6a) determines grain size and yield in rice. However, the gene regulatory network underlying GW6a-mediated regulation of grain size has remained elusive. In this study, we show that GW6a interacts with HOMOLOG OF DA1 ON RICE CHROMOSOME 3 (HDR3), a ubiquitin-interacting motif-containing ubiquitin receptor. Transgenic rice plants overexpressing HDR3 produced larger grains, whereas HDR3 knockout lines produce smaller grains compared to the control. Cytological data suggest that HDR3 modulates grain size in a similar manner to GW6a, by altering cell proliferation in spikelet hulls. Mechanistically, HDR3 physically interacts with and stabilizes GW6a in an ubiquitin-dependent manner, delaying protein degradation by the 26S proteasome. The delay in GW6a degradation results in dramatic enhancement of the local acetylation of H3 and H4 histones. Furthermore, RNA sequencing analysis and chromatin immunoprecipitation assays reveal that HDR3 and GW6a bind to the promoters of and modulate a common set of downstream genes. In addition, genetic analysis demonstrates that HDR3 functions in the same genetic pathway as GW6a to regulate the grain size. Therefore, we identified the grain size regulatory module HDR3–GW6a as a potential target for crop yield improvement.

A ubiquitin receptor ubiquitylates and stabilizes a histone acetyltransferase; this module regulates downstream gene expression, altering rice grain size by modulating cell proliferation.     

水稻品种多样性遗传分析与稻瘟病控制

以2个籼型杂交稻——汕优63(A)和汕优22(B)、2个地方糯稻品种——黄壳糯(C)和紫糯(D)和3个粳稻品种——合系41(E)、楚粳12(F)和8126(G)为材料进行抗病基因同源序列(Resistance Gene Analogue,RGA)遗传分析。结果表明,杂交稻品种间以及粳稻品种间的抗性遗传较为相似,其相似系数分别为0．86和0．84。糯稻品种间以及糯稻、杂交稻和粳稻间的抗性遗传差异较大,相似系数为0．45。聚类分析表明,RGA结果与品种的系谱来源相吻合,与品种的田间抗性基本一致。根据品种的抗性遗传差异、农艺性状和经济性状的不同,在云南籼稻区的建水和石屏县以及温暖粳稻区的泸西县分别选用5种(A／C、A／D、B／C、B／D和A／B)和2种(E／C和E／F／G)不同的品种组合进行品种多样性混合间栽控制稻瘟病田间试验,结果表明,抗性遗传差异大(相似性：0．45～0．77)的5个品种混合间栽组合对稻瘟病有极为显著的控制效果,尤其是在混合间栽中高度感病的优质地方稻品种稻瘟病的发病率、病情指数均有极显著的下降,防治效果达54．47％～92．18％;遗传差异较小(相似性：0．84～0．90)的2个混栽组合混栽对稻瘟病的控制效果不明显,稻瘟病的防治效果在15．12％～25．54％。此外,品种抗性遗传和株高差异大的品种组合具有显著的增产效果,与品种净栽相比,平均增产539．0～900．0kg／ha,增幅5．57％-10．38％;品种抗性遗传和株高相似的品种组合没有增产效果。     

籼稻稻米碾磨与外观品质性状的QTL定位

文章利用籼籼交组合特青/IRBB衍生的重组自交系群体, 在2个环境下对稻米碾磨品质和外观品质进行QTL定位。共计检测到控制稻米碾磨品质的QTL 12个和控制外观品质的QTL 18个, 包括糙米率8个、精米率2个、整精米率2个、粒长7个、粒宽5个和长宽比6个, 这些QTL分布于除第4和12染色体外的其他10条染色体上。其中, 第3染色体涵盖粒形基因GS3的区域对粒长、长宽比、糙米率和整精米率具有较大效应, 其献率分别为56.71%、42.23%、10.05%和4.91%; 第5染色体涵盖粒宽基因GW5的区域对粒宽、长宽比、糙米率和精米率具有较大效应, 表型变异贡献率分别为59.51%、36.68%、19.51%和4.56%。此外, 第6染色体涵盖直链淀粉含量基因Wx的区域对糙米率和精米率具有较小效应。GS3和GW5对糙米率和粒形具有重要作用。     

水稻SL基因调控水稻的粒形

水稻产量和稻米品质的提高是水稻研究的中心问题。水稻产量主要取决于单株穗数、每穗粒数和粒重;粒重作为一个非常重要的产量性状,由粒长、粒宽和粒厚所决定。影响粒重和粒形的基因多为数量性状基因,精细定位并克隆到的较少。本研究中,我们克隆到一个影响粒形的基因SL,超表达（SL-OE）转基因植株表现出粒长增加、粒宽减小、叶宽减小的表型;同时,SL-RNAi的转基因植株呈现出粒长缩短、叶宽增加的表型。颖壳表面细胞在超表达转基因植株中伸长,而在RNAi转基因植株中缩短。叶片横向细胞数目在转基因植株中发生变化,推测乩基因可能与细胞分裂相关。SL-OE转基因植株中G嗽因被明显上调,说明盟基因可能通过调节GW2的表达对水稻粒宽造成影响。另外,观基因影响稻米的品质。