華中農(nóng)業(yè)大學學者發(fā)現(xiàn)一水稻增產(chǎn)重要基因

　　北京時間2023年7月27日22時許，《自然-遺傳學》雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學邢永忠教授課題組（水稻產(chǎn)量生物學實驗室）的研究論文“Suppressing a phosphohydrolase of cytokinin nucleotide enhances grain yield in rice”。該研究挖掘到一個水稻的重要增產(chǎn)基因GY3，該基因通過調(diào)控細胞分裂素的合成，可顯著增加水稻每穗粒數(shù)，將小區(qū)產(chǎn)量提高7%~15%，為水稻高產(chǎn)育種提供了重要的基因資源。

 

　　水稻是世界上三大糧食作物之一，其種植面積超過24億畝，產(chǎn)量超過7.5億噸。2020年，我國水稻種植面積4.5億畝，產(chǎn)量超過2.1億噸。培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻品種，不僅是科學研究領域的重要課題，也是我國糧食安全的重要保障。

 

　　我國種植的亞洲栽培稻（Oryza sativa）包括兩個亞種，秈稻和粳稻，在漫長的亞種分化和長期的育種選擇過程中，粳稻（短圓形）和秈稻（細長形）不僅在稻米外形特征表現(xiàn)出巨大的差異，而且在基因組水平也有很大不同。

 

　　針對水稻秈粳亞種間產(chǎn)量形成的機制異同問題，邢永忠教授課題組博士后吳比等開展了近12年的研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞分裂素合成途徑，解析了水稻增產(chǎn)重要基因GY3的調(diào)控機制，對水稻遺傳改良具有重要的意義。

 

　　團隊利用秈稻品種特青和粳稻品種02428構(gòu)建的高級遺傳群體克隆了產(chǎn)量基因GY3，發(fā)現(xiàn)粳稻來源的GY3為優(yōu)良等位基因，具有增產(chǎn)效應。團隊在粳稻GY3啟動子區(qū)域鑒定到一個反轉(zhuǎn)座子插入，該反轉(zhuǎn)座子的插入增強了GY3啟動子區(qū)域的表觀修飾，降低GY3表達量，從而增加每穗粒數(shù)和谷物產(chǎn)量。通過體內(nèi)體外實驗，進一步證明了GY3參與了細胞分裂素的“兩步法”合成，敲除或者抑制GY3的表達，可減少細胞分裂素合成前體底物的無效消耗，提高體內(nèi)活性細胞分裂素含量，從而增加水稻產(chǎn)量。通過對GY3啟動子區(qū)域序列分析，研究發(fā)現(xiàn)，大部分粳稻（98%）和少部分秈稻（21%）攜帶優(yōu)良GY3等位基因，而當前推廣的秈稻品種絕大多數(shù)不具有GY3增產(chǎn)等位基因，這也表明，GY3在秈稻育種中還沒有被育種家利用。團隊將GY3優(yōu)良等位基因?qū)?3-11等4個秈稻恢復系后，發(fā)現(xiàn)改良的恢復系小區(qū)產(chǎn)量提高9.1%~16.3%。利用這些改良恢復系配制的雜交種，也比原始雜種小區(qū)產(chǎn)量提高7.4%~15.4%。這些結(jié)果表明，GY3可作為秈稻高產(chǎn)育種的重要基因，有望推動秈稻品種產(chǎn)量的大幅度提升。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室已出站博士后吳比博士為該論文第一作者，邢永忠教授為通訊作者。張啟發(fā)教授、殷平教授、李興旺教授、謝為博教授、鄢文豪教授、王磊教授、李香花研究員和肖景華副教授參與了研究的指導工作。相關工作得到國家自然科學基金、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系和作物遺傳改良全國重點實驗室自主研究等項目的資助。

 

　　【英文摘要】One-step and two-step pathways are proposed to synthesize cytokinin in plants. The one-step pathway is mediated by LonELY GUY （LOG） proteins. However, the enzyme for the two-step pathway remains to be identified. Here, we show that quantitative trait locus GY3 may boost grain yield by more than 20% through manipulating a two-step pathway. Locus GY3 encodes a LOG protein that acts as a 5′-ribonucleotide phosphohydrolase by excessively consuming the cytokinin precursors, which contrasts with the activity of canonical LOG members as phosphoribohydrolases in a one-step pathway. The residue S41 of GY3 is crucial for the dephosphorylation of iPRMP to produce iPR. A solo-LTR insertion within the promoter of GY3 suppressed its expression and resulted in a higher content of active cytokinins in young panicles. Introgression of GY302428 increased grain yield per plot by 7.4% to 16.3% in all investigated indica backgrounds, which demonstrates the great value of GY302428 in indica rice production.

 

　　論文鏈接

 

　　https://www.nature.com/articles/s41588-023-01454-3