Plant Physiology | 华南农业大学王兰/刘向东团队鉴定了一个调控水稻粒型的新基因GSW3

以下文章来源于植物生理PlantPhysiol ，作者PP

粒型是决定水稻产量的重要因素之一，水稻粒型由粒长、粒宽、粒厚等组成，增加粒长或粒宽能显著增加稻谷的粒重。另外，长宽比是稻米品质的一个重要指标。讫今，国内外已克隆了许多调控水稻粒型的基因，为水稻品质育种提供重要的基因资源，但从野生稻资源中克隆粒型的基因还不多。

近日，华南农业大学农学院王兰/刘向东团队在Plant Physiology 杂志发表了题为“Natural Allelic Variation in GRAIN SIZE AND WEIGHT 3 of Wild Rice Regulates the Grain Size and Weight”的研究论文，从广东遂溪普通野生稻中克隆了一个调控水稻粒型的新基因GSW3，该基因通过促进细胞分裂和细胞扩张来增加籽粒大小，且增长效果明显，在生产上具有重要的应用价值。

本研究描述了一个来源于普通野生稻的自然变异等位基因GSW3的功能。GSW3在两定位亲本HY03（华野3号，来源于广东遂溪普通野生稻）与KJ01（福建农林大学梁康迳研究员提供的特长粒水稻品系）的基因组之间存在12个SNPs和1个232bp的大片段插入，且插入片段出现一个终止密码，导致HY03的GSW3提前终止，产生一条短的多肽，成为功能基因。GSW3在HY03的表达量远远高于在KJ01的表达量，为组成型表达基因，在水稻的根、茎、叶、穗均有表达，其中在穗部表达量最高。GSW3编码一种GTPase 调节蛋白，但没有典型的保守结构域，为一种非典型G蛋白，定位在细胞核。GSW3-HY03的5种编辑突变体（KO-1～KO-5）的籽粒都明显增长和增宽。其中KO-1和KO-2敲除突变体的粒长分别增加20.16%和14.05%，粒宽分别增加6.7%和4.6%，导致千粒重分别增加69.01%和52.64%，单株产量分别增加167.67% 和 38.07%。GSW3在HY03中过量表达，籽粒变短变小；GSW3-HY03被导入KJ01，转基因突变体籽粒变短变小，能回补GSW3-KJ01的功能。对敲除突变体、过量表达突变体和野生型的籽粒外颖进行横向树脂半薄切片和纵向扫描电镜观察，结果表明GSW3通过促进籽粒外颖纵向细胞伸长、横向细胞增多来增加籽粒大小。

对敲除突变体KO-2和野生型HY03籽粒颖壳全长的25%和50%时期进行转录组测序，发现25%-颖壳的差异表达基因远远多于50%-颖壳的差异表达基因，KEGG分析表明这些差异基因主要富集在植物-病原体相互作用、植物激素信号转导、淀粉和糖代谢等通路，这些通路直接关联到颖壳的生长和胚乳的发育。其中上调和下调的差异表达基因也涉及到一些已报道的与粒型、籽粒灌浆速率相关的基因。通过筛选酵母文库，本研究找到5个与GSW3互作的蛋白，其中两个为转录组的上下调差异表达基因。另外，GSW3也介导了内源赤霉素GA3的合成，参与赤霉素的信号转导，负调控植物的生长。单倍型分析揭示GSW3在HY03和KJ01基因组编码区+161位置的SNP（G/A）影响的水稻籽粒的长度。

GSW3负调控水稻的粒型，增产效果明显，在生产上具有很大的应用潜力，本研究为水稻粒型高产和品质育种提供理论指导与育种材料。

图1 GSW3转基因突变体的株型、粒型等表型及其RNA表达量分析。A. 敲除突变体的株型分析；B. 敲除突变体、过量表达突变体及互补转化体的粒长、粒宽分析；C. 敲除突变体的单株产量分析；D. 敲除突变体和过量表达突变体的RNA表达水平分析；E. 互补转化体的表型及RNA表达量分析。

华南农业大学农学院王兰副教授和刘向东教授为本文的通讯作者，华南农业大学农学院硕士毕业生白冯为本文的第一作者，在读硕士研究生马卉锦为本文的并列第一作者，本室的卡森副研究员、陈志雄副研究员、吴锦文博士、硕士毕业生郑跃滨参与研究。本研究得到岭南现代农业重点实验室课题，广东省自然科学基金和广东省普通高校重点领域专项的资助。据悉，该团队前期还利用以上野生稻克隆了一个负调控粒长的基因qGL3.5（Wang et al, Frontiers in Plant Science, 2022, 全文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.921029/full ）。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad320

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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