近日，中國水稻研究所種質創新課題組與中國農科院農業基因組研究所合作在New Phytologist在線發表了題為Natural variation in the promoter of TGW2 determines grain width and weight in rice的研究論文。該研究克隆了一個新的控制水稻粒寬和粒重的QTL/基因並開展了功能分析，為闡明水稻粒形的遺傳調控機制和培育高產水稻的分子育種奠定了基礎。
水稻是人類主要的糧食作物之一，現今世界1/2以上的人口以大米作為主食。我國是稻米消費大國，近60%的人口以大米作為主食。隨著人口的增長，耕地面積的下降，如何增加水稻產量直接關係到國家的糧食安全和社會的穩定發展。水稻產量主要由三個要素決定，即有效穗數、每穗實粒數和粒重 （Xing和 Zhang, 2010） 。水稻粒形包括粒長、粒寬、粒厚和長寬比，前三者與千粒重密切相關，同時還影響稻米的外觀品質和商品價值 （阮班普等, 2013） 。此外，粒形在進化中易被選擇，也是研究水稻進化和馴化的重要性狀之一 （Li等, 2018） 。
近20年來的研究表明，水稻粒形和粒重的遺傳基礎十分複雜，不同品種控制粒形的基因不盡相同，大多都由多基因/QTL控制。目前，已檢測到近100個與粒寬相關的QTL分布在水稻的12條染色體上。中國水稻研究所種質創新課題組 （張光恆等, 2004） 曾在水稻第1、2、3、6、8 和12號染色體上檢測到9個粒寬相關QTL。此後，精細定位和分子克隆的粒寬QTL 逐漸增多。上海植生所林鴻宣研究組 （Song等, 2007） 通過圖位克隆法分離了控制粒寬和粒重的QTL—GW2，其編碼一RING型的E3泛素連接酶，通過將底物輸送到蛋白酶體降解來負調控細胞分裂。南京農業大學萬建民實驗室 （Liu等，2017） 和中科院遺傳發育研究所的李雲海實驗室 （Duan等, 2017） 幾乎同時克隆了粒寬和粒重的主效QTL—GW5 （GSE5） 。華中農業大學張啟發實驗室克隆了控制粒長和粒重的主效QTL—GS3和控制粒寬、結實率和粒重的主效QTL—GS5。GS3基因編碼含植物特有調節器官大小結構域的跨膜蛋白，為負調控因子 （Mao等, 2010） ；GS5基因編碼屬於肽酶S10家族的絲氨酸羧肽酶，是穀粒大小的正調控因子，因此在粒形調控高產育種中的應用前景較大 （Li等, 2011） 。中國水稻研究所種質創新課題組與中科院遺傳發育研究所等單位合作 （Hu等, 2015） 成功克隆了顯著提高水稻產量的粒形基因GS2，該基因編碼了水稻生長調控因子OsGRF4；其在93-11背景的近等基因系與培矮64s配成雜交稻後，可比對照超級稻品種「兩優培九」增產9.5%。中科院遺傳發育研究所傅向東課題組 （Wang等, 2012; Wang S等, 2015） 分離了控制粒寬和粒重的編碼類SQUAMOSA啟動子結合蛋白16 （OsSPL16） 的GW8基因和編碼TONNEAU1募集基序蛋白的GW7基因。後者與中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室克隆的粒長調控基因GL7等位 （Wang Y等, 2015） 。GW8轉錄因子可直接結合GW7的啟動子，從而抑制其表達使粒寬增加。在此基礎上，提出了通過操縱GW8-GW7模塊提高稻米產量和品質的新途徑。
至今，雖然已克隆了一些控制水稻籽粒大小的重要基因/QTL，但水稻粒形和粒重調控的分子機理仍不清楚。水稻育種家們利用籽粒大小的自然變異來改良水稻產量和品質，但只有少數幾個粒形調控基因的等位變異能被廣泛利用。
中國水稻研究所種質創新課題組在前期利用「兩優培九」的重組自交系進行了基因組重測序，成功構建了一張超高解析度的遺傳連鎖圖譜 （Gao等, 2013） 。在此基礎上檢測到3個粒寬主效QTL和2個粒重主效QTL，並採用超級雜交稻親本培矮64s與93-11的大規模BC 4 F 2 群體，精細定位和圖位克隆了一新的控制稻穀粒寬和粒重的主效QTL——qTGW2。TGW2基因編碼細胞數目調控因子OsCNR1，培矮64s等位型基因在孕穗期穎殼中的轉錄表達水平顯著高於93-11等位型，穎殼細胞數目顯著減少。課題組成員利用大量不同粒形水稻品種的表型和基因序列的關聯分析結合啟動子螢光素酶活性實驗，確定了基因啟動子區引起表達差異的關鍵位點。過表達和基因敲除實驗驗證了TGW2基因的功能，並且TGW2蛋白與調控細胞周期的KRP1蛋白存在互作，負向調節水稻粒寬和粒重。將93-11等位型的tgw2導入培矮64s背景，產量可提高12.3%而不影響其他農藝性狀（圖1） 。
圖1. 近等基因系的表型及產量
對具有廣泛代表性的2866份水稻種質資源 （Wang等, 2018） 進行的序列分析發現，TGW2基因的啟動子內關鍵位點為培矮64s等位型的多屬於aus稻。由於aus稻起源於印度中部和孟加拉國 （Wu等, 2017） ，推測該等位型最初出現在印度和/或孟加拉國，隨後傳播至鄰國。進一步對141份水稻品種的分析揭示該基因受到了育種馴化選擇 （圖2） 。
該研究不僅有利於揭示水稻乃至禾本科作物籽粒大小的遺傳調控機制，而且為水稻的高產優質育種提供了新的基因資源，可加快在超級稻育種中的應用。
圖2. TGW2基因的等位型地理分布和進化分析
中國水稻研究所國家重點實驗室的阮班普博士後和中國農科院農業基因組研究所的商連光博士為論文並列第一作者，中國水稻研究所高振宇研究員和錢前研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。
參考文獻
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論文連結：
https://doi.org/10.1111/nph.16540