水稻（Oryza sativa L.）是重要的主糧作物，也是作物遺傳、發(fā)育、分子生物學與基因功能等研究較為成熟的模式物種，而粒型是決定水稻產(chǎn)量、稻米的品質(zhì)、營養(yǎng)與商品價值的重要因素，受到關鍵基因與環(huán)境因素的綜合調(diào)控。因此，利用特異水稻種質(zhì)資源，克隆水稻粒型關鍵調(diào)控基因并進行功能機制解析，是開展種子精準設計育種，選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種的基礎，具有科學意義與應用價值。
中國科學院成都生物研究所利用特異水稻種質(zhì)資源——“麥稻”（Oat-like rice），運用表型分析、發(fā)育生物學、分子遺傳學與轉(zhuǎn)基因功能驗證等綜合技術手段，在對麥稻粒型等典型表型及其遺傳規(guī)律進行多年多點鑒定與分析的基礎上，克隆引起麥稻表型的OsMADS1Olr新等位基因，發(fā)現(xiàn)OsMADS1基因?qū)λ玖Ｐ途哂兄匾恼{(diào)控作用，并可能對水稻開花后種子發(fā)育與粒型具有直接調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)，麥稻可能是一份自然變異材料，其典型形態(tài)特征是谷粒內(nèi)外稃極顯著伸長且不閉合，偶爾出現(xiàn)由異常雙生子房發(fā)育形成融合在一起的兩粒糙米，產(chǎn)生形似燕麥粒的表型，故當?shù)赜N家稱之為麥稻。組織細胞學觀察發(fā)現(xiàn)，麥稻內(nèi)外稃顯著極伸長的部分原因是其縱向薄壁細胞極顯著伸長；花發(fā)育分析顯示，麥稻內(nèi)外稃不閉合表型由其內(nèi)外稃細胞伸長與構(gòu)象等協(xié)調(diào)發(fā)育失調(diào)引起；育性分析表明，麥稻的另一個明顯表型結(jié)實率較低主要原因是其花器官數(shù)目、形態(tài)和結(jié)構(gòu)異常，以及胚囊發(fā)育不成熟。此外，研究發(fā)現(xiàn)麥稻谷粒灌漿速率整體上低于正常對照品種“日本晴”，導致谷粒干物質(zhì)積累受影響，引起麥稻千粒重下降。
研究人員利用圖位克隆技術，將麥稻候選基因定位于第3染色體長臂上的14 kb物理區(qū)間內(nèi)。通過基因預測分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)間的基因OsMADS1屬于MADS-Box轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子基因家族。早期研究表明，該基因調(diào)控花分生組織分化與花器官發(fā)育，近幾年的研究提出，OsMADS1基因也調(diào)控水稻谷粒發(fā)育。因此，OsMADS1可能是引起麥稻表型的候選基因，但是其對水稻開花后種子發(fā)育、粒型與灌漿有無直接調(diào)控功能尚不清楚。基因測序顯示，麥稻中的OsMADS1第一外顯子第80位核苷酸發(fā)生由G到A的突變，為OsMADS1的一個新等位基因，將其命名為OsMADS1Olr。基因突變導致OsMADS1Olr蛋白負責其與下游靶基因結(jié)合的MADS-box功能域的第27位氨基酸甘氨酸（Gly）突變?yōu)樘於彼幔ˋsp）。蛋白序列比對分析表明，該野生型甘氨酸在動植物MADS-box蛋白家族的MADS功能域中高度保守，可能對OsMADS1發(fā)揮正常轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能具有重要作用。因此，OsMADS1Olr中的氨基酸突變可能影響其與下游靶基因結(jié)合的正常功能，從而引起麥稻表型。通過OsMADS1Olr突變位點與表型在代表性水稻材料中的關聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)該突變堿基A與麥稻表型共連鎖，說明麥稻表型可能由該突變堿基引起。同時，OsMADS1基因表達譜分析顯示，該基因主要在水稻花和種子中表達，在種子中的表達集中在前期的內(nèi)外稃和種皮、中期的胚、胚乳和糊粉層，說明OsMADS1可能對水稻花發(fā)育以及開花后種子發(fā)育與粒型具有調(diào)控作用。
在正常對照水稻品種“日本晴”中過表達OsMADS1Olr突變基因，或干擾OsMADS1野生型基因的正常表達，轉(zhuǎn)基因植株中均出現(xiàn)類似麥稻谷粒的表型。這些OsMADS1轉(zhuǎn)基因功能驗證實驗證明麥稻表型由OsMADS1Olr突變基因?qū)б穑琌sMADS1對水稻粒型有調(diào)控作用。此外，通過分析OsMADS1的互作基因DEP1和GS3等粒型調(diào)控基因在麥稻、OsMADS1Olr過表達和OsMADS1-RNAi轉(zhuǎn)植株表達，發(fā)現(xiàn)OsMADS1可能通過調(diào)控或影響這些基因的表達水平調(diào)控水稻粒型。
以往研究認為，成熟谷粒的粒型主要由成熟花的內(nèi)外稃形態(tài)決定。雖然OsMADS1對水稻花發(fā)育具有重要的調(diào)控作用，但是其對種子發(fā)育和粒型有無直接的調(diào)控作用尚不清楚。研究人員構(gòu)建OsMADS1基因種子特異性干擾載體研究系統(tǒng)，通過特異性干擾OsMADS1基因在種子中的表達而不影響其在花中的正常功能，研究OsMADS1對水稻開花后種子發(fā)育和粒型有無直接的調(diào)控作用。結(jié)果表明，OsMADS1種子特異性干擾植株谷粒出現(xiàn)輕微裂穎的表型，該表型與OsMADS1Olr過表達和OsMADS1干擾植株相比較弱，說明OsMADS1可能對開花后種子發(fā)育和粒型具有直接的調(diào)控作用；表型分析顯示，OsMADS1基因種子特異性干擾植株谷粒裂穎表型可能是種子正常灌漿受影響、糙米粒厚增加所致，表明OsMADS1可能通過影響水稻灌漿來調(diào)控水稻種子發(fā)育和粒型。
綜上所述，水稻MADS-box轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子基因家族成員OsMADS1對水稻粒型具有重要的調(diào)控功能，并可能對水稻開花后種子發(fā)育與粒型具有直接調(diào)控作用。相關研究成果以Characterization of the 'Oat-like rice' caused by a novel allele OsMADS1Olr reveals vital importance of OsMADS1 in regulating grain shape in Oryza sativa L.為題，發(fā)表在RICE上。成都生物所環(huán)境治理與食品安全領域博士生李鵬慧為論文第一作者，助理研究員李輝與原研究員汪松虎為論文共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃“七大農(nóng)作物育種”重點專項、國家自然科學基金和中科院國際伙伴計劃“一帶一路”科技合作行動專項等的資助。
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