生科院Nature Genetics公布新基因

　　

中国科学院上海生命科学院、中国水稻研究所、复旦大学生命科学院、美国宾夕法尼亚大学生命科学研究院以及华南农业大学的研究者在新一期的《Nature Genetics》上发表报告称，他们发现控制米粒大小和分量的新基因。

 

该研究得到中国科技部、中国国家自然科学基金委和上海生命科学研究院的资助，领导该研究项目的是中科院上海生命科学院的何祖华研究员称，他们首先发现了一种谷粒重量偏低的水稻突变株。该研究组检查了这个突变株，并发现它的GIF1基因携带了一个突变。GIF1基因负责控制蔗糖酶（转化酶）的活性，蔗糖酶位于细胞壁上，它把蔗糖转化成用于制造淀粉的物质。蔗糖酶对于水稻谷粒发育过程中的淀粉形成很重要。如果蔗糖酶不活跃，水稻植株可能就无法制造饱满可食用的谷粒。

 

接下来，为了测试GIF1基因控制蔗糖酶制造的能力，该研究组测量了一个正常水稻植株（GIF1基因没有任何突变）和一个突变株（GIF1基因含有一个导致蔗糖酶活性缺损的突变）的蔗糖酶的活性。这组科学家发现突变株的蔗糖酶活性只有在正常株观察到的17%，这提示GIF1基因确实控制着蔗糖酶的活性，该研究组然后培育了GIF1基因过度表达的转基因水稻系，结果发现，与正常株相比，这种转基因水稻的谷粒更大更重。

文字说明: 这组科学家培育了转基因水稻系（G-2 和G-8），它们的GIF1基因被过度表达。和正常株（WT）相比，他们发现转基因水稻的谷粒更大更重。在这幅图片中，上面的谷粒被壳包裹着，下面的谷粒已经脱壳。

资料来源: 何祖华，中国科学院

 

 

宾夕法尼亚大学生物学家马宏说， GIF1基因能控制谷粒的特定部分的蔗糖酶活性，也就是维管组织，它们把包括蔗糖酶产生的糖在内的营养物质运输到正在发育的谷粒。

 

该研究组还发现GIF1基因是在水稻驯化过程中被选择出来的基因之一。通过选择性地培育那些产生更重谷粒的水稻株，人类在数千年的时间里不知不觉地增加了拥有变异的GIF1基因的水稻种群的频率，这个过程导致了GIF1基因在维管组织中被特定地表达，从而产生更大的水稻谷粒。

 

科学家希望他们的发现将有助于其他人培育产生更大谷粒的杂交水稻品种。与此同时，他们打算进行额外的分析，这将帮助他们理解其他基因如何有可能参与到改善水稻产量的过程中来。“我们的目标是理解什么控制着谷粒重量和其他因素，并寻找增加产量的方法。

 

原文检索：Control of rice grain-filling and yield by a gene with a potential signature of domestication

 

【Abstract】

Grain-filling, an important trait that contributes greatly to grain weight, is regulated by quantitative trait loci and is associated with crop domestication syndrome1, 2, 3, 4. However, the genes and underlying molecular mechanisms controlling crop grain-filling remain elusive. Here we report the isolation and functional analysis of the rice GIF1 (GRAIN INCOMPLETE FILLING 1) gene that encodes a cell-wall invertase required for carbon partitioning during early grain-filling. The cultivated GIF1 gene shows a restricted expression pattern during grain-filling compared to the wild rice allele, probably a result of accumulated mutations in the gene's regulatory sequence through domestication. Fine mapping with introgression lines revealed that the wild rice GIF1 is responsible for grain weight reduction. Ectopic expression of the cultivated GIF1 gene with the 35S or rice Waxy promoter resulted in smaller grains, whereas overexpression of GIF1 driven by its native promoter increased grain production. These findings, together with the domestication signature that we identified by comparing nucleotide diversity of the GIF1 loci between cultivated and wild rice, strongly suggest that GIF1 is a potential domestication gene and that such a domestication-selected gene can be used for further crop improvement.

 

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附

何祖华

男 , 1962年11月生, 上海植物生理生态研究所研究员，植物抗病抗逆信号传导和功能基因实验室负责人，浙江大学农业与生物技术学院兼职教授、博士生导师。 1993-1996，原浙江农业大学生物技术研究所副教授，博士，植物分子实验室主任 。 1997-1998，美国加州Salk研究所植物分子和细胞生物学实验室博士后。1999-2000，美国加大Davis分校植病系博士后，研究助理。2000,9- 国家“****”引进人才、国家杰出青年基金获得者。

 

　　主要从事植物广谱抗病抗逆的分子机理和信号传导、水稻重要农艺性状的功能基因研究，包括植物抗病受体设计、水稻和拟南芥突变体库构建及抗病、干旱功能基因及其蛋白质组学的研究和应用、水稻基因组水平的防卫反应基因的鉴定和网络、植物速生基因（水稻长节间基因）eui的克隆和应用、植物新CACTG因子和小分子RNA的分子遗传等。对植物抗病基因设计和信号传导进行了创新的研究，有关论文发表于Science等杂志。首次在国际上发现了一个新的植物CACTG转座因子家族。用eui基因成功地消除了水稻不育系的包颈问题。  

 

　　主要成果（专利）有：合成受体基因在信号传导和抗病性中的应用、植物CACTG因子家族及其应用、水稻受环境胁迫诱导基因的克隆、植物抗病关键调控基因的克隆与应用、水稻重要农艺性状的基因调控、消除水稻不育系包颈的遗传理论和途径等。发表专著1部, 发表杂志论文 40余篇（包括Science文章）, 会议论文与研究报告20多篇, 国际专利1个。1992年至1997年共5次(3次以第一名)获得浙江省、农业部和国家教委科技与教学成果奖。1994, 1996 两年分获浙江省和中国农学会青年科技奖。