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水稻是世界上最重要的粮食作物之一,全球一半以上的人口以水稻为食。为了进一步提高当前高产品种的产量潜力,水稻育种学家提出了新株型的概念。新株型又称理想株型,其重要特征是:分蘖减少,没有无效分蘖:穗粒数多；茎秆粗壮；根系发达。理论分析表明,在赤道干旱条件下具有理想株型特点的水稻品种的产量可以比当前品种再提高25％。因此,进行理想株型育种对于解决当前全球日益严重的粮食短缺问题十分重要。但是到目前为止,水稻理想株型品种的育种工作仍未成功,其分子机理还不清楚。在这种情况下,克隆理想株型控制的相关基因,阐明其作用机理,将为理想株型品种的成功育成提供重要的理论基础。同时作为单子叶植物的模式作物,水稻理想株型控制机理的研究,也必将为阐明单子叶植物生长发育的内在分子机制作出重要的贡献。
与当前的常规栽培品种如籼稻品种TN1相比,粳稻材料少蘖粳分蘖数少、穗子大、穗粒数多、茎秆粗壮、根系发达,呈现出理想株型的特点。我们将少蘖粳材料与TN1以及常规粳稻材料Hui7进行回交,发现在回交后代中株高、分蘖数、茎杆粗度、穗型这些性状呈现出共分离的关系,因此表明少蘖粳材料与常规品种的表型差异可能受同一个主效基因控制。我们把该基因命名为Ideal Plant Architecture1(IPA1)。我们将少蘖粳与Hui7构建了近等基因系。通过对近等基因系进行分析,我们发现IPA1位点为杂合状态(IPA1/ipal)时的植株,其表型介于纯合野生型(IPA1/IPA1)和纯合突变型(ipal/ipal)植株之间,表明IPA1为半显性基因。利用少蘖粳和TN1构建的BC2F2作图群体并通过QTL定位克隆的方法,我们在第8染色体上鉴定并克隆了一个主效QTL QTL8(LOC_Os08g39890)。测序分析发现,在少蘖粳材料中QTL8的第3个外显子发生了一个C到A的点突变,并导致氨基酸由亮氨酸变为异亮氨酸。为了确定LOC Os08g39890是否就是IPA1,我们进行了转基因功能验证实验。我们构建了含有全长LOC_Os08g39890基因的质粒gIPA1并转化了日本晴受体。gIPA1转基因植株分蘖减少,茎杆粗壮,穗子枝梗数增多,穗粒数增多。相反,在日22材料(与少蘖粳材料表型类似,含有相同的点突变,易于转化)中下调LOC_Os08g39890的表达时,我们发现转基因植株分蘖增多,株高降低,茎杆变细,穗部枝梗数和穗粒数都显著下降。因此,我们确定QTL8就是IPA1。少蘖粳材料中理想株型表型的出现就是由于IPA1发生突变造成的。
序列分析表明,IPA1编码了含有SBP结构域的转录因子OsSPL14,与拟南芥SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE9(sPL9)(At2g42200)同源性最高。IPA1定位在细胞核内,具有转录激活活性。mRNA原位表达分析表明,IPA1在营养生长时期的茎尖和生殖生长时期的枝梗原基中表达量最高。
IPA1含有miR156的靶位点,在体内可以被miR156以转录切割和翻译抑制两种方式进行调控。少蘖粳材料中的点突变发生在miR156的靶位点,从而影响了这两种调控方式,导致IPA1的转录本和蛋白量同时升高。转基因研究表明,尽管点突变导致了氨基酸的变化,但该突变没有改变IPA1蛋白的功能。我们对少蘖粳近等基因系植株的相关农艺性状进行了详细的对比分析并进行了产量的比较实验,结果表明IPA1可以显著地改变植株的株型,使之具备理想株型的特点,从而提高水稻的产量。IPA1是农作物中鉴定的第一个受miRNA调控的产量直接相关基因。本研究表明,IPA1是改良当前水稻栽培品种的株型、提高水稻产量的强有力工具,在水稻育种上有着巨大的应用潜力。