水稻落粒性

1、有關(guān)水稻落粒性的進(jìn)化有關(guān)水稻落粒性的進(jìn)化作物的進(jìn)化往往開始于不落果或不落粒的植物。這種導(dǎo)致谷類作物進(jìn)化的落粒性減輕的性狀與大效應(yīng)的遺傳位點(diǎn)有關(guān)。然而，這種關(guān)鍵的遺傳過渡的分子基礎(chǔ)仍然是未知的。在此，我們證明水稻進(jìn)化過程中落粒性的減少是由于人類對一個(gè)由未知功能的基因編碼的DNA結(jié)合域處的一個(gè)替換蛋白質(zhì)的選擇。谷粒從花梗上的脫落是由離層控制的而這種替換破壞了離層正常發(fā)育所必需基因的功能。水稻，作為世界上的主要食物，是從野生雜草發(fā)育而來。因?yàn)?/p>

2、野生雜草的谷粒成熟后自然脫落，所以谷物早期進(jìn)化的必要階段是選擇成熟后不落粒的植物以達(dá)到有效收獲的目的(12)（Fig.S1）。這種選擇進(jìn)程并不一定是有意識的，因?yàn)椴贿^早落粒的植物有較好的機(jī)會被收獲并在下一年被種植。因此，在進(jìn)化過程中不落粒等位基因的頻率增大并最終代替落粒的等位基因。我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因位點(diǎn)，該位點(diǎn)可以解釋大多數(shù)谷類作物和它的原始親本間的落粒性狀的表型差異，這個(gè)發(fā)現(xiàn)證明對該基因位點(diǎn)的選擇應(yīng)該會加速進(jìn)化過程(35)。然而，選擇的

3、分子遺傳基礎(chǔ)尚未清楚。水稻是由一個(gè)或兩個(gè)親緣關(guān)系很近的物種O.nivara和O.rufipogon廣布東南亞到印度(67)。我們最近對O.sativassp.indica和野生一年生的O.nivara雜交所獲得的F2代群體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了3個(gè)QTLsh3sh4sh8是栽培稻的落粒性狀減弱的主要因素(5)。這些QTL中，sh4解釋了69%的表型變異，其它兩個(gè)QTL分別解釋了6.0%，3.1%的表型變異。故野生稻中的sh4基因是一個(gè)顯性的引起

4、落粒的基因。兩個(gè)先前使用O.sativassp.indica和野生多年生物種O.rufipogon..雜交來對QTL進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)四個(gè)和五個(gè)QTL(89)。兩個(gè)研究都在sh4的位置定位了一個(gè)QTL，并且這個(gè)QTL在檢測到的QTL中具有最大或幾乎最大的表型效應(yīng)。而且，對O.sativassp.indicajaponica和O.rufipogon.以及其他兩個(gè)親緣關(guān)系很近的野生品種O.glumaepetula和O.meridionalis的

5、遺傳分析發(fā)現(xiàn)了三個(gè)野生品種中都具有的一個(gè)單顯性基因和落粒相關(guān)(1011)。將該位點(diǎn)命名為sh3，并將其定位到和sh4相同的染色體位點(diǎn)。我們進(jìn)行分析將sh4定位到分子標(biāo)記RC123R和M280（SSR標(biāo)記）之間(5)，在O.sativa基因組中這兩個(gè)分子標(biāo)記之間的物理距離為1360kb(12)(Fig.1A).。因?yàn)镺.nivara中的顯性基因位點(diǎn)的效應(yīng)很大，我們可以不管其它兩個(gè)小效應(yīng)的QTL位點(diǎn)而從表型將F2代中純和隱性單株（ss）和至

6、少在sh4位點(diǎn)含有O.nivara基因的顯性個(gè)體（nsnn）區(qū)分開。我們對489個(gè)F2代個(gè)體的三個(gè)落粒QTL位點(diǎn)的基因型進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在sh4位點(diǎn)具有ns和nn的植株在拍打兩個(gè)擬南芥基因是轉(zhuǎn)錄因子(16)，并且其中一個(gè)在數(shù)據(jù)庫中具有cDNA序列（AAT99796）。其它一組較為相似的基因也是來自于水稻和擬南芥，但是和sh4的氨基酸序列只有2022%的相似性。我們運(yùn)用Prosite和核定位技術(shù)對sh4蛋白進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其包括一個(gè)Myb3D

7、NA結(jié)合域及一個(gè)核定位信號，據(jù)此可推測說是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，我們將該基因與綠色熒光蛋白（GFP)基因融合形成sh4GFP基因，并且該基因被質(zhì)粒中的Ubi啟動子啟動。我們將該結(jié)構(gòu)導(dǎo)入日本晴品種Taipei309中，經(jīng)測驗(yàn)該品種適合于基因轉(zhuǎn)化，由此可以確定GFP連接sh4的核定位信號(Fig.2)。這些結(jié)果都支持sh4是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的生物假說。利用RTPCR檢測sh4在花和莖（谷粒脫離體的位置）中的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，sh4并不在花、莖

8、或葉子中表達(dá)。我們利用RTPCR擴(kuò)增了兩個(gè)作圖親本sh4基因cDNA序列的編碼區(qū)域，將這兩種cDNA進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，和水稻基因組預(yù)測的一樣，cDNA合成過程中是在內(nèi)含子的同一位置進(jìn)行剪切。我們運(yùn)用RTPCR來比較sh4基因在雙親花和種子的不同發(fā)育階段表達(dá)的相關(guān)程度(Fig.3b)。及檢測當(dāng)種子成熟時(shí)該基因的表達(dá)量雖有增加，但明顯的增加發(fā)生在授粉后的第12天。在O.sativa中sh4的表達(dá)量在第18持續(xù)增加，而在O.nivara中的表達(dá)

9、量因落粒而無法檢測。我們檢測了同一發(fā)育階段的花和谷粒與莖之間的連接強(qiáng)度，授粉后第九天花和谷粒與莖脫離所需的力量與其它發(fā)育階段所需的力量在任何一親本中并沒有顯著性的差異(Fig.3C)。該力量在授粉后的第12天開始下降，O.nivara中的下降速度比O.sativa中的要快。授粉后的第、18天O.nivara的谷粒幾乎落盡而無法檢測。在O.sativa中谷粒脫離莖所需的力量是早期階段所需力量的一半；之后該力量一較慢的速度下降但并不會降低到

10、像O.nivara中允許落粒的程度。我們運(yùn)用轉(zhuǎn)基因水稻來確認(rèn)基因的功能并檢測替換氨基酸的功能：我們制作了兩含有O.sativa的啟動子及兩個(gè)親本間重組的編碼區(qū)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)只在d點(diǎn)具有差異。結(jié)構(gòu)1具有O.nivara中3，未翻譯區(qū)到突變位點(diǎn)d之間的序列和O.sativa中突變位點(diǎn)e到5，調(diào)控區(qū)之間的序列。結(jié)構(gòu)2具有O.nivara中3，端到突變位點(diǎn)c之間的序列及O.sativa中突變位點(diǎn)d到到5，調(diào)控區(qū)之間的序列(Fig.1B)。將具有兩種