科学家克隆出正调控水稻粒重基因

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室张启发院士领衔的水稻国家创新研究团队，日前成功克隆了正调控水稻粒重的数量性状基因GS5，进一步的功能研究显示，该基因在高产分子育种中具有广阔的应用前景。相关论文已于10月23日在线发表于国际顶级遗传学杂志《自然—遗传学》（Nature Genetics）。2008年，该团队曾在该杂志撰文，报告发现了一个可以同时控制水稻植株高矮、抽穗期和每穗粒数的Ghd7基因。论文的第一作者是该团队张启发与何予卿教授共同指导的博士生李一博。种子大小是一个非常重要的产量性状、外观品质性状、作物驯化和人工育种的靶性状。多年来，科学家们一直致力于寻找控制粒重即种子大小的关键基因，以往已经克隆出的GS3、GW2和qSW5粒形基因均与粒形呈负相关，即较高的基因表达水平，种子大小反而随之下降。经过近10年的研究，华中农业大学团队此次克隆的GS5却是一个种子大小的正调控因子，其较高的GS5表达水平可能参与促进细胞周期循环，加快细胞循环进程，从而促进水稻颖壳细胞的横向分裂，进而增大颖壳的宽度，继而加快谷粒的充实和胚乳的生长速度，最终增大种子的大小以及增加谷粒的重量和单株产量。大量的研究表明，在除了谷粒大小目标性状有差异，而遗传背景完全相同的两个遗传材料中，谷粒大的材料比谷粒小者含有较高GS5基因表达，大粒比小粒宽了8.7%、千粒重增加了7.0%、单株产量提高了7.4％。据李一博介绍，他们对来自亚洲不同地区的51份水稻品系进行GS5启动子比较测序，发现GS5在自然界主要有3种不同的组合方式，分别是GS5大粒单倍型、GS5中粒单倍型和GS5小粒单倍型，正好对应不同品系宽、中等宽和窄粒形等3组不同粒宽的性状。其中，GS5小粒单倍型是野生型，而GS5大粒单倍型是水稻驯化和育种过程中功能获得性的突变型。启动子镶嵌转化分析进一步表明，上述突变型的形成，取决于GS5启动子的自然变异。因此，GS5在水稻人工驯化和育种过程中起到了重要作用，并对水稻种子大小的遗传多样性贡献很大。作物产量是十分复杂的数量性状，受各种因素影响，科学界以前普遍认为需要改变许多基因才能够增加水稻产量，因此如何像控制诸如颜色等质量性状一样，利用生物技术改良提高产量一直是作物遗传育种界的难题。GS5及以前克隆的Ghd7等一大批基因，对于通过生物技术进行改良来提高产量提供了新的可能。粒形作为水稻产量和外观品质的重大农艺性状，该研究为作物高产育种提供了具有自主知识产权和重要应用前景的新基因，为阐明作物产量和种子发育的分子遗传调控机理提出了新见解。（来源：华中农业大学）