近日,我校农学院杨泽峰教授研究团队在《Nature Communications》期刊发表了题为“A de novo evolved gene contributes to rice grain shape difference between indica and japonica”的研究论文,系统阐释了一个从头起源(de novo origination)新基因GRAIN SHAPE ON CHROMOSOME 9(以下简称“GSE9”)参与调控水稻籼粳亚种间粒型的分化,并为水稻粒型(又称粒形)的遗传改良提供了新的靶基因。
水稻粒型不仅是衡量稻米外观品质的重要指标,也是影响水稻产量性状的重要因素,还在栽培稻的两个亚种间表现出明显的形态差异:粳稻通常为短圆形,而籼稻则大部分为细长形。研究团队基于全基因组关联分析和候选基因分析,在水稻9号染色体上发现一个同时控制粒长和粒宽的基因GSE9。该基因仅在稻属部分物种中具有高度同源的DNA序列,且通过de novo方式起源于普通野生稻的原非编码区,并传递到绝大部分粳稻品种中。绝大部分粳稻品种具有起始密码子ATG,形成编码基因GSE9;而绝大部分籼稻品种则不具备起始密码子(起始密码子位点为GTG),不具有编码基因(gse9);序列变异也表现出明显的籼粳亚种间分化特征。
对转基因植株的电镜观察和转录组分析,发现GSE9通过协同调控细胞扩张和细胞增殖来调控粒型;代谢组分析发现主要差异代谢物与氨基酸代谢相关,表明可能通过参与氨基酸代谢调控粒型。此外,gse9启动子区段的DNA甲基化水平显著高于GSE9,表明其对粒型的调控还可能与表观遗传有关。对水稻不同品种的序列和表型分析,发现gse9型籼稻品种相比于GSE9型的籽粒更加细长;而相比于GSE9型普通野生稻,gse9型普通野生稻的籽粒也更加细长。将粳稻的GSE9基因转至籼稻品种中,则导致粒长减小,粒宽增大。由此表明,GSE9基因的自然变异对水稻粒型有显著影响,并可被应用于水稻粒型的遗传改良。
农学院青年教师陈茹佳为论文第一作者;江苏里下河地区农科所研究员肖宁、农学院青年教师鲁月为论文的共同第一作者;农学院教授杨泽峰、徐辰武,江苏里下河地区农科所研究员李爱宏、美国东卡罗莱纳大学教授黄锦岭为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目资助。