基因OsPIL13在提高水稻籽粒長度和千粒重方面的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及通過提高水稻0SPIL13基因的表 達(dá)水平來提高水稻籽粒長度和千粒重。
【背景技術(shù)】
[0002] 水稻是全球最主要的糧食作物，全球有50%的人口以稻米為主食。水稻生產(chǎn)對保 障全球糧食安全，減少貧困人口和農(nóng)村就業(yè)發(fā)揮著重要的作用。長期以來，水稻是我國播種 面積最大、總產(chǎn)量最多、單產(chǎn)最高的糧食品種，是我國65%左右人口的主食，在糧食生產(chǎn)和 消費(fèi)中處于主導(dǎo)地位。據(jù)估計，到2030年，水稻糧食產(chǎn)量需要增長40 %才能滿足全世界人口 增長的需求(Khush等，2005，Plant Mol .Biol. 59，1-6)，由此可見提高水稻產(chǎn)量依然是目前 植物育種的重要研究目標(biāo)。水稻產(chǎn)量有三個重要決定因素:單株穗數(shù)、每穗粒數(shù)及粒重。研 究表明水稻粒形性狀(包括籽粒長度、籽粒寬度、長/寬比及籽粒厚度)與粒重有直接相關(guān)關(guān) 系（Tan等，2000，Theor.Appl .Genet .101,823-829)，因此闡明水稻粒形的遺傳與發(fā)育機(jī)理 并將之應(yīng)用于育種是提高水稻單產(chǎn)的一個重要手段。
[0003] 水稻重要的農(nóng)藝性狀在遺傳上多受多基因控制，即表現(xiàn)出數(shù)量性狀位點（QTL)的 特點。研究表明，水稻籽粒長度通常由3~5個主效QTL控制，多表現(xiàn)為加性效應(yīng)(Yang等， 2001，J.Anhui Agric. Sci . 29，164-167)，并兼有不完全顯性作用，其顯性作用因品種而異， 一般認(rèn)為顯性作用長>中>短>極短，但也存在短粒顯性和長粒隱性的情況（莫惠棟， 1993,26(4)，8-14;高志強(qiáng)等，2011，冊1^01了43,33(4)，314 - 321)。籽粒寬度及長寬比由加 性或顯性效應(yīng)的多基因調(diào)控（Fu等，1994, Acta Agron. Sin. 20,39-45; Shi等，1995， Chin. J.Rice Sci .9,27-32; Yang 等，2001，J. Anhui Agric .Sci .29,164-167)，而籽粒厚度 則多由加性效應(yīng)的多基因控制，但也存在母性遺傳效應(yīng)的影響（H u a n g等，2 013，T r e n d Plant Sci.，18,218-226)。盡管許多研究表明結(jié)果并非一致，但多數(shù)認(rèn)為籽粒長度、寬度、 厚度均與粒重成正相關(guān)關(guān)系，其中，籽粒長度對粒重的影響最大（Rui等，1983， Sci .Agric .Sin. 5,14-20 ; Lin 等，2003，Mol .Plant Breed. 1,337-342; Xing 等，2010， Annu.Rev.Plant Biol.61，421_442;Huang等，2013，Crop Sci.)〇
[0004] 到2013年 10 月，Gramene 網(wǎng)站（http: //archi ve · gramene · org/)收錄的關(guān)于水稻粒 重的QTL有1200個，籽粒長度QTL有1225個，籽粒寬度QTL有875個，長寬比QTL有1000個，而未 有籽粒厚度QTL的報道。盡管已在不同群體中定位到水稻籽粒性狀的QTL，但目前克隆的基 因并不多，而且大多數(shù)基因的生化和細(xì)胞學(xué)功能還不很清楚。最先被鑒定的控制水稻粒重 和籽粒長度的主效QTL位點是GS3(GRAIN SIZE 3)，位于3號染色體著絲粒附近，編碼232個 氨基酸。GS3蛋白序列分析發(fā)現(xiàn)其含有四個功能域:N端含有一個類似PEBP結(jié)構(gòu)域，是植物調(diào) 控器官大小所特有的（0SR);第97~117氨基酸間含一個跨膜結(jié)構(gòu)域，第116~155氨基酸間 含一個TNFR/NGFR family富半胱氨酸結(jié)構(gòu)域，C端含富半胱氨酸的VWFC結(jié)構(gòu)域(Fan等， 2006，Theor.Appl.Genet.ll2，1164-1171;Mao等，2010，Proc Natl Acad Sci USA,2010， 107(45) ,19579-19584)?；蚬δ芊治霭l(fā)現(xiàn)，0SR功能域是調(diào)控水稻籽粒大小的所必需的負(fù) 調(diào)控因子，缺失該功能域籽粒變得很長;而C端的TNFR/NGFR及VWFC則抑制OSR的功能，缺失 這兩個功能域的籽粒則很短（Mao 等，2010，Proc Natl Acad Sci USA, 2010,107(45)， 19579-19584) DGL3.1，是以水稻品種Fengaizhan-l(FAZl)和Waiyin-3(WY3)為兩親本的雜 交群體中調(diào)控籽粒長度、粒重及產(chǎn)量的主效QTL。圖位克隆結(jié)果顯示，GL3.1編碼Ser/Thr磷 酸化酶，是Kelch蛋白磷酸化酶家族的成員（Qi等，2012，Cell Res.，22，1666-1680)。61^3.1 直接去磷酸化其底物細(xì)胞周期蛋白Cyclin-Tl; 3而加速細(xì)胞分裂，從而產(chǎn)生長的籽粒，這是 在磷酸化介導(dǎo)的生物學(xué)功能中的新發(fā)現(xiàn)。有意思的是Zhang等(Proc Natl Acad Sci USA, 2012，109,21534-21539)在野生水稻資源的N411中同樣發(fā)現(xiàn)了這個基因，該基因在N411中 第二個Kelch功能域上保守的AVLDT區(qū)域的D364E的稀有等位變異qgl3導(dǎo)致長粒表型。生長 素作為最重要的植物激素之一，參與了植物生長發(fā)育的眾多重要過程。通過對一水稻大粒 顯性突變體BG1研究表明，其編碼一個受生長素特異誘導(dǎo)的早期響應(yīng)的未知功能蛋白，在水 稻莖和穗的維管組織中特異表達(dá)(Liu等，2015，Proc Natl Acad Sci USA，112(35)11102-11107)。有意思的是，BG1過表達(dá)株系生長素極性運(yùn)輸能力顯著增強(qiáng)，并導(dǎo)致水稻籽粒顯著 增大。田間試驗表明，BG1過量表達(dá)株系與對照相比千粒重增加25%，產(chǎn)量增加21 %。細(xì)胞色 素 P450在調(diào)控水稻籽粒大小上也有報道，如Xu等（2015，Plant，Cell&Environment，38(4), 800-811)通過大規(guī)模篩選水稻T-DNA插入突變體庫，獲得一個水稻籽粒顯著變大的突變體 材料。分子生物學(xué)及遺傳學(xué)研究表明，該表型是由于編碼一個細(xì)胞色素 P450基因 0 s C Y P 7 8 A13的激活而導(dǎo)致。對15 2 9份水稻品種序列多態(tài)性的分析發(fā)現(xiàn)在秈稻品種中 CYP78A13的多態(tài)性顯著高于粳稻品種。進(jìn)一步通過對粳稻品種日本晴和秈稻品種9311基因 組序列的比對發(fā)現(xiàn)在CYP78A13的啟動子區(qū)域有3個InDELs，在編碼區(qū)有8個SNPs。這項研究 揭示秈稻品種中CYP78A13的多態(tài)性在水稻高產(chǎn)育種中具有非常大的潛在應(yīng)用價值。D2和 D11編碼兩個細(xì)胞色素 P450氧化還原酶，參與油菜素內(nèi)酯(BR)的生物合成。D2(CYP90D2)催 化BR生物合成過程中從6-脫氧茶留酮（6-deoxoteasterone)-3-脫氫-6-脫氧茶留酮（3-dehydr〇-6-deoxoteasterone)和茶留酮（teasterone) - 3-脫氫茶留酮（3-dehydroteasterone)的反應(yīng)。矮桿突變體d2莖桿短而粗，穗部直立密集，谷粒比野生型小。 d2的表型通過外源的BRs處理可恢復(fù)（Hong等，2003,Plant Cell 15,2900-2910)』11 (CYP724B1)的編碼產(chǎn)物是BR生物合成過程中的一種關(guān)鍵酶，可能對6-脫氧香蒲留醇（6-DeoxoTY)和香蒲甾醇(TY)的合成起催化作用。過表達(dá)基因 D11引起發(fā)育的花藥和種子中糖 積累量增加以及籽粒產(chǎn)量提高，如粒長、粒寬增加，千粒重和小穗數(shù)目也有一定增加 (Tanabe等，2005，Plant Cell njTG-TgOhPGLUPOSITIVE REGULATOR OF GRAIN LENGTH 1)是一個非典型的不結(jié)合DNA的堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白（bHLH)，過量表達(dá)PGL1增加了籽粒 長度和重量。APG是PGL1的拮抗性互作因子，兩者都定位在核內(nèi)。PGL1/APG介導(dǎo)的籽粒長度 增加是由于內(nèi)穎細(xì)胞長度增加引起的。PGL1-APG代表了一個新的籽粒長度和重量調(diào)控途 徑，APG是一個負(fù)向調(diào)節(jié)子，其功能受到PGL1的抑制（Heang等，2012，PL〇S 0NE，7(2): e31325)〇
[0005] GW2(GRAIN WIDTH 2)，是調(diào)控水稻籽粒寬度及粒重的主效QTL，編碼RING類E3泛素 化連接酶(Song等，2007，Nat. Genet. 39，623-630) AW2通過蛋白酶水解其底物而負(fù)調(diào)控于 細(xì)胞分裂，缺失GW2功能將導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)目增加，產(chǎn)生較大的穎殼，加速籽粒的灌漿速率，從而 提高了籽粒的寬度、籽粒重量及產(chǎn)量。GW5(GRAIN WIDTH 5)是調(diào)控水稻籽粒寬度的主效 QTL，編碼一個144氨基酸組成的核定位蛋白，該蛋白包含一個核定位信號和一個富精氨酸 區(qū)域(Weng等，2008，Cel 1 Res. 18，1199-1209)。通過酵母雙雜交實驗證實GW5與多聚泛素有 相互作用，表明GW5可能通過