水稻产量相关基因的鉴定和发现

水稻产量相关基因的鉴定和发现摘要：提高谷物产量已经成为了当今世界育种过程中的焦点。而随着水稻基因组注释工程（RiceGenomeProject）的建立，鉴定出了许多与籽粒产量相关的基因：比如与支梗数量，籽粒数、籽粒大小、株高等性状相关的基因。本文总结了目前有关水稻产量的相关基因，主要针对籽粒数、粒重、籽粒饱满度等性状相关基因的考察，同时也归纳了有关株高、分蘖数的相关基因。Introduction描述水稻产量可以从四个方面来进行；即：粒重、单穗的籽粒数、每株的穗数、籽粒的饱满度。粒重几乎是有遗传因素控制，而籽粒的饱满度则更多的受环境因素的影响。除了这些直接描述水稻产量的因素外，另外两个间接因素也被引进来，即：株高和分蘖数。1.Grainnumber在过去的几十年，发现了许多QTL基因控制籽粒数。Gn1，一个QTL基因，位于1号染色体，增加水稻籽粒数，同时，在小麦和玉米中也发现了该基因的同源基因。Gn1有两个位点，Gn1a、Gn1b；前者编码一个CK氧化/脱氢酶（CKX）-----OsCKX2，其在花分生组织中表达，调控CK的水平，从而控制水稻小花的数量。对OsCKX2的反义表达，降低了OsCKX2的表达水平，提高了水稻的籽粒数。与之一致的是，AtCKX3，拟南芥中OsCKX2的同源基因，过表达后，降低了其花分生组织中起始花原基的数量[1]。对于单穗的籽粒数，基本是由水稻圆锥花序中第一支梗、第二支梗的数量和长度，以及圆锥花序中分支的数量所决定。有趣的是，在含有一个Gn1a相同的株系NIL中，产生了相同的一次支梗数，但二次支梗数却不相同，见图（Figure1aandb）；由此可以看出，存在另外控制一次、二次支梗的基因。(a)Grossmorphologyofpanicle.Left:Japaneseleadingcultivar,Koshihikari.Right:aNewPlantType(NPT)cultivarforincreasedgrainyieldbredattheInternationalRiceResearchInstitute.(b)PaniclearchitectureofKoshihikari(left)andNPTcultivar(right)in(a).(d)Appearanceoftranslucent(upper)andchalky(lower)grainsafterpolishing.2.Grainweight粒重是由粒长、粒宽、粒厚几个因素决定。籽粒大小是育种中的一个主要目标，不仅它决定最终产量，同时还将影响稻谷的品质（如：增大籽粒大小可能会降低稻谷品质）。已经发现了许多控制粒重的QTL，最近报道的位于3号染色体近着丝粒区上的GS3，为一个控制粒长和粒重的主效QTL。GS3编码一个由232个氨基酸组成的跨膜蛋白，该蛋白产物包含下列4个结构域：一种植物特有的调节器官大小的结构域(organsizeregulation,OSR)、一个跨膜区、肿瘤坏死因子受体/神经生长因子受体(tumornecrosisfactorreceptor/nervegrowthfactorreceptor,TNFR/NGFR)家族中富含半胱氨酸的同源区域和C端的C型血管性血友病因子(vonWillebrandfactortypeC,VWFC模块)。OSR结构域以前称为PEBP结构域。序列分析表明，与小粒品种相比，大粒品种GS3第2外显子中编码第55位半胱氨酸的密码子TGC突变成终止密码子TGA，造成蛋白翻译提前终止(缺失了178个氨基酸)，从而使得类PEBP结构域残缺并缺少其他3个功能域，这表明GS3编码的蛋白对粒重起负调控作用。在最近的数据库软件分析中发现GS3并不属于PEBP蛋白家族，通过比对发现推测的GS3PEBP结构大约只有三分之一长度的PEBP，仅有20.3%-28.4%相似性。通过数据库同源比对发现，GS3的N端具有一个多数被子植物中高度类似且保守的66aa的结构域，如控制穗型的DEP1。作者暂时将改结构命名为OSR。禾谷类作物的产量很大程度上取决于其籽粒的大小。GS3是一个控制籽粒大小的主效QTL，它在调节籽粒和器官大小中发挥负调节子的功能。通过原位杂交显示GS3在幼穗中表达，并随着穗子发育而减少，在其它组织如胚、茎端分生组织、叶和茎中有微弱表达，但在根冠中大量表达，real-timePCR同时证实了上述结果。野生型等位基因包含有四个推测的结构域：N端的OSR结构域，一个跨膜区，TNFR/NGFR家族富半胱氨酸结构域，以及C端的VWFC。这些结构域在调节籽粒大小中发挥不同的功能：OSR结构域作为一个负调节子发挥作用是充分必要的，野生型等位基因对应形成中等长度的籽粒，而OSR结构功能的丢失会导致形成长的籽粒；C端TNFR/NGFR和VWFC结构域显示出对OSR功能的抑制作用，这两个功能域失活突变会产生非常短的籽粒。本研究将GS3蛋白质的结构域的功能与水稻种子籽粒大小的自然变异联系了起来[2]。另外一个与粒重相关的基因，GW2，坐落于2号染色体的短臂，为一个控制粒宽和粒重的主效QTL。GW2包含有8个外显子，cDNA全长1634bp，编码由425氨基酸组成、47kDa大小的蛋白产物，而WY3由于第4外显子上一个碱基的缺失，引起GW2等位基因在转录过程中提前终止了翻译，产物只保留有115氨基酸。GW2编码一个环型E3泛素连接酶，位于细胞质中，通过将其底物锚定到蛋白酶体进行降解，从而负调节细胞的分裂。GW2的WY3等位基因显著地增加粒宽和千粒重，从而增加单株产量，该等位基因同时也能增加每株穗数、延长生育期，并显著地降低每穗粒数和主穗长度，表明GW2具有明显的一因多效。GW2功能的缺失将不能将泛素转移到靶蛋白上，因而使得本应降解的底物不能被特异识别，进而激活颖花外壳细胞的分裂，从而增加颖花外壳的宽度，另一方面，间接地，灌浆速率也得到了提高，胚乳的大小随之也得到了增加，最终谷壳的宽度、粒重以及产量都得到了增加[3]。3.Grainfilling籽粒饱满度是一个动态、复杂生理过程的体现。一个高产的水稻栽培品系，会得到大量的籽粒数，但是却难以产生足够的光合产物来提高给所有的水稻籽粒，从而导致了每穗上的籽粒都是饱满的。水稻叶鞘和茎在抽穗之前积累大量的光合产物，以供给抽穗期的发育。因此，因此，在抽穗期前的营养生长时期积累足够的光合产物是同等重要的。发现了两个控制籽粒饱满度的主效QTL。其中一个位于8号染色体，这个基因增加了灌浆期时叶鞘和茎中非结构性碳水化合物（NSC）的含量，相对而言，其等位基因，在灌浆时期叶鞘和茎中降低NSC的含量，导致增加了籽粒饱满度，这就说明了这个QTL参与了将NSC从叶鞘和茎中转移到花序中的过程。然而，令人敢兴趣的是，这些QTL却不和控制每穗籽粒数的那些QTL连锁，则给我们提供了一个同事提高籽粒饱满度和穗子大小的可能性[4]。另外，对于全球变暖导致夜间温度升高，也降低了谷物的产量和品质。高的夜温损坏了干物质的产生，降低了谷粒的大小和干重。同时也导致了水稻谷粒的变白（chalkygrain见图(Figure1d），这使得谷粒难于脱粒，同时也降低了口感。对在灌浆时期的微阵列和半定量RT-PCR分析，发现在高温条件下，使得那些淀粉、蛋白合成的相关基因的表达量降低，而那些降解淀粉、热激蛋白相关基因的表达量却升高[1]。籽粒的饱满度是一个复杂生理过程的体现，这需要更多生理、生化、分子方面的更多研究。4.Plantheight植株高度是影响产量的另一个因素，特别是体现在植株越高，其抗倒伏性、奈病性降低，而伴随绿色革命的发生，小麦，谷物等农作物的半矮化出现，大大增加了其的抗倒伏性，提高了产量。值得一提的是，在绿色革命期间，发现了两个相关株高的基因：wheat：Reducedheight1(Rht1)、rice：semi-dwarf1(sd1)，前者参与GA信号途径，后者参与了GA的生物合成。这也提示我们要想从分子水平上改变株高，从GA过程中可能会寻到一个突破口。另外一个半矮化的基因：OsBRI1,其拟南芥中同源基因BRI1编码一个油菜素内酯（BR）受体，拟南芥中的突变导致BR不敏感的严重矮化表型；OsBRI1在水稻中的突变体，表现出不仅为半矮化的特点，同时还出现叶片竖直的表型，最终导致了在高栽种密度、没有使用更多氮肥的情况下而获得高产……这可能是由于叶片竖直更加有利于接收光能[1]。5.Tillering水稻分蘖数是影响产量的另一个因素，我们都期望的是多分蘖，每个分蘖上的单穗还不变小，但是实际情况却不是这样。分蘖数的调节也成为一个重要的问题。TEOSINTEBRANCHED1(TB1)，存在于玉米中，该基因是含有一个TCP结构域的转录因子，负调控腋芽的长出。水稻中与TB1同源的一个基因OsTB1/FINECULM1(FC1)，在水稻中表现出类似的表型，起着负调控水稻的分蘖。过量表达OsTB1的转基因水稻分蘖数显著减少，幼苗比野生型粗壮；而OsTB1功能丧失型突变体fc1分蘖数显著增加。OsTB1cDNA全长1935bp，仅含有1个外显子，编码一个由388氨基酸组成的蛋白产物，产物含有TCP结构域、SP结构域和R结构域。fc1突变体中OsTB1基因的开放阅读框中第327个碱基C缺失，导致移码突变，提前形成终止密码子。fc1-2：组织培养引发的缺失突变，包含一个26bp和一个1bp碱基的缺失，缺失区编码蛋白位于TCP域。OsTB1与玉米的TB1基因同源，两者编码的转录因子都含有一个碱性螺旋-环-螺旋类型的DNA结合结构域，叫TCP结构域。OsTB1在水稻的整个腋芽中都表达，通过控制腋芽的生长影响水稻的分蘖数，过量表达OsTB1的转基因水稻由于腋芽形成受到影响导致分蘖数显著减少，而OsTB1功能丧失型突变体fc1分蘖数显著增加。OsTB1是水稻侧向分枝的负调节因子，调节侧芽的生长，但不影响顶端分生组织的发育。新近，通过对豌豆、拟南芥和水稻多分枝突变体的研究，揭示独角金内酯作为一种新发现植物激素，能够抑制侧生分支的发生。而为了回答SLs是如何控制侧芽的生长，就需要发现并鉴定SLs下游的基因。日本学者研究发现，当外施1μMGR24（人工合成SL类似物）并不能恢复水稻多分蘖突变体fineculm1（fc1）的表型；用10μMGR24处理时，可以使野生型植株分蘖发生受到抑制，但对fc1突变体并没有明显的作用，暗示FC1位于SLs下游是其抑制侧芽生长所必需。在d3-2突变体（亦为SL不敏感突变体）中过表达FC1，d3-2的株高和分蘖可以部分恢复成野生型表型。原位杂交结果表明，FC1mRNA主要富集在侧芽、茎顶端生长点、幼叶、维管组织和冠状根尖。FC1的表达丰度并不受GR24处理发生显著影响，说明SLs可能并不是在表达水平上影响FC1的功能，另外，FC1的表达虽基本不受IAA影响但受细胞分裂素BAP负调节。因此，FC1对于水稻侧枝的发生有着重要的作用，是多条信号调节通路的一个节点[5]。另外一个与水稻分蘖相关的基因：MONOCULM1(MOC1)，该基因突变后，使得水稻仅仅只有一个主茎，成为“独苗”。MOC1cDNA全长1666bp，包含有4个外显子，编码一个由441氨基酸组成的蛋白产物，产物包含VHIID基序和类SH2结构域。moc1突变体在第948位碱基处插入了一个1.9kb的逆转座子序列，提前形成终止密码子，造成蛋白质的翻译提前终止，只有338个氨基酸。MOC1编码一个定位在核内的GRAS家族蛋白，在营养生长和生殖生长阶段控制叶腋分生组织形成。MOC1在腋芽没有发生形态改变之前就在腋芽表皮和皮下细胞表达，随后在整个腋芽和之后的叶腋原基表达。MOC1在叶腋分生组织和腋芽的形成中发挥重要作用，还促进腋芽的向外生长。分蘖参与了两个重要的生理过程：腋芽的形成和向外生长。MOC1参与的是这个过程中的正调控作用，而OsTB1/FC1则起着负调控的作用。作为调控分蘖的关键基因，它们起着对分蘖和单株穗数的重要调控作用[1]。Conc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