作者姓名：宋獻(xiàn)軍
　　論文題目：控制水稻粒寬/粒重主效QTL的定位、克隆和功能研究
　　作者簡介：宋獻(xiàn)軍，男，1974年3月出生，2002年9月師從于中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所林鴻宣研究員，于2007年7月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　水稻是最重要的糧食作物之一，其養(yǎng)活了世界上近四分之一的人口。開展水稻遺傳與育種研究一直成為許多國家近年來的重點(diǎn)。隨著近年來世界人口的持續(xù)增長和環(huán)境的不斷惡化，糧食產(chǎn)量增加卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類的需要。而作物產(chǎn)量形成遺傳機(jī)制研究可以促進(jìn)高產(chǎn)分子育種研究。但截至目前，人們對作物產(chǎn)量的分子調(diào)控機(jī)制仍然知之甚少。
　　水稻產(chǎn)量的提高主要決定于三方面重要的因素：分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重?？刂品痔Y數(shù)的基因Moc1的成功克隆和基因功能研究（Li等,?2003）揭開了人類研究糧食產(chǎn)量分子調(diào)控機(jī)制新的一頁。近年來還克隆到控制水稻穗粒數(shù)的QTL/基因Gn1a?(Ashikari等,?2005)，并對其功能進(jìn)行了研究，使人們對作物產(chǎn)量的形成機(jī)制有了進(jìn)一步的認(rèn)識。與前兩個性狀相比，人們對控制水稻粒型和粒重的分子機(jī)制研究進(jìn)展較慢。盡管許多年來人們對有關(guān)此類性狀QTL或基因的定位研究有很多(Tan等，.?2000；Kubo等，2001；Xing等，2002；Thomson等，2003；Aluko等，2004；Li等，2004a)，但它們的分子調(diào)控機(jī)理還未知。Fan等(2006)對控制水稻谷粒長度/粒重QTL?GS3進(jìn)行了定位和克隆，該基因定位于第3染色體的著絲粒附近，其編碼一種具有PEBP結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞膜蛋白，但其詳細(xì)的功能研究未見報道。至今對控制水稻粒型/粒重的相關(guān)QTL/基因的分子調(diào)控機(jī)制研究尚未見報道。
　　粒型（谷粒的長度、寬度及長寬比）是受多個數(shù)量性狀基因（QTL）控制的復(fù)雜性狀，對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)都有影響。為了進(jìn)一步探索控制作物粒型/粒重的分子遺傳調(diào)控機(jī)理，我們選擇在粒重上有顯著差異的水稻品種“豐矮占?1?號”（小粒秈稻品種）和“WY3”（大粒粳稻品種）為親本材料，并以“豐矮占?1?號”作為輪回親本進(jìn)行多次回交，構(gòu)建了作圖群體；以谷粒的長度和寬度為研究性狀，進(jìn)行了初步定位、精細(xì)定位以及高精確度連鎖分析研究。最終我們克隆了控制水稻谷粒寬度和粒重的主效QTL?GW2，并開展了相關(guān)功能研究，得到了以下主要研究結(jié)果：?
　　1、初步定位了控制水稻谷粒寬度和長度的兩個主效?QTLs（GW2?和?GL3），二者分別位于第?2?和第?3?染色體上。?
　　2、通過精細(xì)定位和高精確度連鎖分析，我們將控制水稻粒寬的?QTL?GW2定位在?8.2kb?的物理區(qū)間內(nèi)，其中只有一個候選基因，編碼一個功能未報道的RING類型蛋白。大粒基因位點(diǎn)與小?；蛭稽c(diǎn)在編碼區(qū)存在三個堿基變異，其中二個變異不引起氨基酸變化，而另外一個堿基在大?；蛑邪l(fā)生缺失，引入一個提前終止密碼子使蛋白翻譯提前終止，大粒GW2蛋白減少310個氨基酸，該結(jié)果得到了體外表達(dá)蛋白實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。表明大粒表型是由于GW2的功能缺少而產(chǎn)生的。?
　　3、GW2?的轉(zhuǎn)基因水稻分析結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)反義表達(dá)載體的轉(zhuǎn)基因植株降低GW2?的表達(dá)量時會引起水稻粒寬和粒重增加；當(dāng)轉(zhuǎn)正義表達(dá)載體的轉(zhuǎn)基因植株增加?GW2?的表達(dá)量時會引起水稻粒寬變窄和粒重減少，表明GW2是水稻粒寬和粒重的負(fù)調(diào)控因子，同時證明成功克隆了控制水稻粒型的主效?QTL?GW2。?
　　4、?RT-PCR?分析和?GW2?promoter-GFP?的轉(zhuǎn)基因水稻的?GFP活性觀察結(jié)果顯示，該基因無時空和組織表達(dá)特異性；利用洋蔥表皮細(xì)胞進(jìn)行的GFP-GW2?融合蛋白亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示，GW2?在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)。?
　　5、利用大腸桿菌表達(dá)的?GW2?活性蛋白進(jìn)行的生化分析表明，GW2?蛋白在體外能夠發(fā)生蛋白泛素化反應(yīng)，同時結(jié)合GW2基因的測序結(jié)果，我們證明了GW2蛋白屬于一類新型的?RING?E3?泛素連接酶，表明GW2參與蛋白泛素降解途徑。
　　6.細(xì)胞學(xué)觀測結(jié)果表明大?；蛭稽c(diǎn)比小粒基因位點(diǎn)增加水稻穎殼的細(xì)胞數(shù)目，從而促進(jìn)穎殼增大，而細(xì)胞大小基本沒有變化。表明GW2參與水稻穎殼的細(xì)胞分裂。?
　　6、用分子標(biāo)記選擇方法選育得到了控制水稻谷粒寬度的近等基因系?NIL?(GW2)（以豐矮占?1?號為背景），攜帶大粒親本?WY3?的?GW2?位點(diǎn)的目標(biāo)片段長度僅為?1.4cM；相對豐矮占?1號，NIL?(GW2)的谷粒寬度和粒重（增幅達(dá)49.8％）明顯增加，從而引起單株產(chǎn)量顯著增加，表明?GW2?在作物高產(chǎn)分子育種中具有應(yīng)用前景。?
　　7、在已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們對?GW2?基因控制水稻谷粒寬度和粒重的可能調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了推測：?GW2?蛋白作為一種新型的?RING?E3?泛素連接酶參與泛素介導(dǎo)的蛋白降解途徑，負(fù)調(diào)控水稻穎殼的細(xì)胞分裂；寬粒等位基因（WY3的?GW2?位點(diǎn)）由于發(fā)生提前終止突變失去相應(yīng)的調(diào)控功能，其穎殼細(xì)胞分裂速度加快，導(dǎo)致穎殼變寬；寬的穎殼有利于胚乳的灌漿，最終導(dǎo)致谷粒變大。

　　關(guān)鍵詞：水稻；粒重；QTL；分子標(biāo)記；圖位克??；E3泛素連接酶；分子育種