水稻產(chǎn)量相關(guān)功能基因研究取得重大進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2007-4-9
中科院上海生科院植物生理生態(tài)所、植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗室林?zhù)櫺芯繂T領(lǐng)導的研究組，在水稻產(chǎn)量相關(guān)功能基因研究上取得突破性進(jìn)展，成功克隆了控制水稻粒重的數量性狀基因ＧＷ２，并深入闡明了相關(guān)的生物學(xué)功能和作用機理，顯示這一基因在高產(chǎn)分子育種中具有應用前景。相關(guān)論文已于４月８日在線(xiàn)發(fā)表于國際頂級遺傳學(xué)雜志《自然·遺傳學(xué)》（《Nature Genetics》）。
遺傳改良或基因工程是提高作物產(chǎn)量的有效手段之一。尋找與高產(chǎn)相關(guān)的功能基因對水稻高產(chǎn)育種具有重要的理論意義和應用價(jià)值。粒重是決定水稻產(chǎn)量的要素之一，它是由多個(gè)基因控制的復雜數量性狀，相關(guān)分子遺傳調控機理還不清楚。
林?zhù)櫺芯繂T指導博士生宋獻軍和黃巍等經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，成功克隆了控制水稻粒重的數量性狀基因ＧＷ２。大量翔實(shí)的實(shí)驗結果表明，ＧＷ２作為一個(gè)新的Ｅ３泛素連接酶，可能參與了降解促進(jìn)細胞分裂的蛋白，從而調控水稻谷殼大小、控制粒重以及產(chǎn)量；當ＧＷ２的功能缺失或降低時(shí)，基因降解可能與細胞分裂相關(guān)蛋白的能力下降，從而加快細胞分裂，增加谷粒谷殼的細胞數目，進(jìn)而顯著(zhù)增加水稻谷粒的寬度、加快籽粒灌漿速度、增加粒重以及產(chǎn)量。
研究人員通過(guò)分子標記選擇方法將大粒品種的ＧＷ２基因導入小粒品種中培育成新株系，分別收獲了種于大田的２５株。測定每株的產(chǎn)量，與小粒品種相比，新株系雖然每穗粒數有所減少，但由于粒重的明顯增加，最終引起單株產(chǎn)量顯著(zhù)增加，顯示這個(gè)基因在高產(chǎn)育種中具有利用價(jià)值。增產(chǎn)效果有待于進(jìn)一步的小區試驗考察和驗證。研究成果為作物高產(chǎn)育種提供了具有自主知識產(chǎn)權和重要應用前景的新基因；為闡明作物產(chǎn)量和種子發(fā)育的分子遺傳調控機理提出了新見(jiàn)解。
《自然·遺傳學(xué)》雜志三位評審人對這項研究一致給予高度評價(jià)： “我們現在可以通過(guò)控制ＧＷ２的功能得到合適大小的水稻谷粒，在這一點(diǎn)上我相信這是一項在水稻產(chǎn)量育種史上有重要意義的工作”“有關(guān)該基因定位克隆、序列分析和轉基因表型鑒定以及Ｅ３泛素連接酶的功能實(shí)驗是令人信服的”“這是一篇將引起遺傳工作者極大興趣的力作，該論文通過(guò)大量而深入的實(shí)驗包括基因定位克隆、基因結構分析、功能和表型鑒定等證明該基因控制水稻谷粒大小，為作物種子的遺傳調控機理研究提出了有價(jià)值的見(jiàn)解。”
中科院上海生科院植物生理生態(tài)所、植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗室林?zhù)櫺芯繂T領(lǐng)導的研究組，在水稻產(chǎn)量相關(guān)功能基因研究上取得突破性進(jìn)展，成功克隆了控制水稻粒重的數量性狀基因GW2，并深入闡明了該基因的生物學(xué)功能和作用機理，顯示該基因在高產(chǎn)分子育種中具有應用前景。相關(guān)論文已于4月8日在線(xiàn)發(fā)表于國際頂級遺傳學(xué)雜志《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）。這是該研究組繼克隆水稻耐鹽功能基因SKC1之后，兩年內第二次問(wèn)鼎該雜志。
我國人口不斷增加，可耕土地逐漸減少，糧食安全成為一個(gè)突出問(wèn)題，提高水稻等主要糧食作物的單位面積產(chǎn)量是解決這一問(wèn)題的重要途徑，遺傳改良或基因工程是提高作物產(chǎn)量的最有效手段之一。尋找與高產(chǎn)相關(guān)的功能基因對水稻高產(chǎn)育種具有重要的理論意義和應用價(jià)值。粒重是決定水稻產(chǎn)量的要素之一，它是由多個(gè)基因控制的復雜數量性狀，其分子遺傳調控機理還不清楚。
林?zhù)櫺芯繂T指導博士生宋獻軍和黃巍等經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，成功克隆了控制水稻粒重的數量性狀基因GW2。翔實(shí)的實(shí)驗結果表明，GW2作為一個(gè)新的E3泛素連接酶可能參與降解促進(jìn)細胞分裂的蛋白，從而調控水稻穎殼大小、控制粒重以及產(chǎn)量；當GW2的功能缺失或降低時(shí)，該基因降解可能與細胞分裂相關(guān)蛋白的能力下降，從而加快細胞分裂，增加谷粒穎殼的細胞數目，進(jìn)而顯著(zhù)增加水稻谷粒的寬度、加快籽粒灌漿速度、增加粒重以及產(chǎn)量。通過(guò)分子標記選擇方法將大粒品種的GW2基因導入小粒品種中培育成新株系。與小粒品種相比，該新株系雖然每穗粒數有所減少，但由于粒重的明顯增加，單株產(chǎn)量依然顯著(zhù)增加，顯示該基因在高產(chǎn)育種中具有利用價(jià)值。然而其在小區（多個(gè)小區）試驗中的增產(chǎn)效果依然有待于進(jìn)一步考察和驗證。該研究成果為作物高產(chǎn)育種提供了具有自主知識產(chǎn)權和重要應用前景的新基因，為闡明作物產(chǎn)量和種子發(fā)育的分子遺傳調控機理提出了新見(jiàn)解。
《自然-遺傳學(xué)》雜志三位評審人對該項研究一致給予高度評價(jià)：“我們現在可以通過(guò)控制GW2的功能得到合適大小的水稻谷粒，在這一點(diǎn)上我相信這是一項在水稻產(chǎn)量育種史上有重要意義的工作”；“有關(guān)該基因定位克隆、序列分析和轉基因表型鑒定以及E3泛素連接酶的功能實(shí)驗是令人信服的”；“這是一篇將引起遺傳工作者極大興趣的力作，該論文通過(guò)大量而深入的實(shí)驗包括基因定位克隆、基因結構分析、功能和表型鑒定等證明該基因控制水稻谷粒大小，為作物種子的遺傳調控機理研究提出了有價(jià)值的見(jiàn)解”。
該研究得到國家科技部“十一五”863項目和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )等的資助。
要在水稻約4萬(wàn)個(gè)基因中，找到有助于解決糧食問(wèn)題的基因，可謂“大海撈針”。目前，全球科學(xué)家只克隆出上百個(gè)水稻功能基因，而它們并不都有直接利用價(jià)值。其中，“粒重基因”作為決定水稻產(chǎn)量的要素之一，正成為國際研究熱點(diǎn)，科學(xué)家們已瞄準幾個(gè)有關(guān)基因。而此次我國科學(xué)家找到的基因，不僅屬新發(fā)現，還明確了其分子遺傳調控機理。
野生稻種的稻粒都很小，既保證了其種子數量，又便于傳播，但這種“本性”并非人類(lèi)所愿。多年來(lái)，植生所“植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗室”林?zhù)櫺芯繂T及其博士生宋獻軍、黃巍等，通過(guò)加入分子標記進(jìn)行跟蹤、定位，從多個(gè)控制水稻粒重的基因中，發(fā)現GW2為“主效基因”。該基因能加快谷粒穎殼的細胞分裂，增加細胞數目，使穎殼這一“容器”變大，從而顯著(zhù)加快灌漿速度，增加谷粒寬度、粒重及產(chǎn)量。
通過(guò)分子標記輔助育種方法，科研人員將大粒品種的GW2基因導入小粒品種，培育成新株系，并與小粒品種進(jìn)行比較試驗。結果表明，新株系每穗的粒數雖減少了29.9％，但粒重增加了49.8％，因此單株產(chǎn)量仍增加近兩成。從外觀(guān)上看，大粒的粒徑變得更寬，體積是小粒的1.5倍左右。專(zhuān)家表示，下一步在小區試驗田中的較大面積播種，才能驗證其畝產(chǎn)提高幅度有多少。
這種“大號米”怎樣走上餐桌？研究人員介紹，利用已有的自然變異型大粒品種，與其它優(yōu)質(zhì)稻種雜交，并用這把“基因鑰匙”進(jìn)行人工選育，經(jīng)過(guò)約七八代后，“大粒”性狀就會(huì )自然而然保留，結出大小合適的谷粒。由于不再需要做“基因手術(shù)”，也就不屬于“轉基因”食品。
據悉，這是林?zhù)櫺难芯拷M繼克隆水稻耐鹽功能基因SKC1之后，兩年內第二次登上《自然·遺傳學(xué)》。3位國際評審人對這項研究一致給予高度評價(jià)，稱(chēng)“這是一項在水稻產(chǎn)量育種史上有重要意義的工作”。
克隆一種控制水稻谷粒重量的基因，把它導入水稻新株系，其粒重明顯增加，單株產(chǎn)量顯著(zhù)提高。昨天，記者從中科院上海生科院植物生理生態(tài)所了解到,有關(guān)這一成果的相關(guān)論文已在線(xiàn)發(fā)表于國際頂級遺傳學(xué)雜志《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上。它標志著(zhù)我國水稻產(chǎn)量相關(guān)功能基因研究取得了重大進(jìn)展。
據介紹，粒重是決定水稻產(chǎn)量的一大要素，破解它的“基因密碼”成了科研人員的攻關(guān)課題。
中科院上海植生所研究員林?zhù)櫺I(lǐng)導的研究組，經(jīng)過(guò)多年研究，成功克隆了控制水稻粒重的數量性狀基因——GW2。翔實(shí)的實(shí)驗數據表明，GW2作為一個(gè)新的E3泛素連接酶，可能參與降解促進(jìn)細胞分裂的蛋白，從而調控水稻穎殼大小、控制粒重以及產(chǎn)量。與小粒品種相比，該新株系雖然每穗的粒數有所減少，但由于粒重增加了49.8%，單株產(chǎn)量仍增加近兩成。這顯示出，該基因在高產(chǎn)育種中具有利用價(jià)值。
《自然-遺傳學(xué)》雜志評審人對該項研究的評價(jià)是：“我們可以通過(guò)控制GW2的功能得到合適大小的水稻谷粒，我相信這是一項在水稻產(chǎn)量育種史上有重要意義的工作。”據悉，該研究得到了科技部“十一五”863項目和上海市科委的資助
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