尼瓦拉野生稻(Oryza nivara)小粒基因GS3-N的克隆及功能分析

水稻粒型是影响产量的一个重要因素,为挖掘和利用野生稻中粒型相关基因并解析其功能机制,本研究以尼瓦拉野生稻(Oryza nivara)为供体亲本,粳稻品种‘滇粳优1号’(DJY1)为轮回亲本,构建了一个极小粒近等基因系NIL-J155。图位克隆获得了尼瓦拉野生稻中负调控籽粒大小的GS3基因的一个新的单倍型,命名为GS3-N(GS3 from O.nivara)。GS3-N定位在细胞膜,且在不同生长阶段的不同组织中均有表达。序列分析表明,小粒单倍型GS3-NJ155第5个外显子处有312 bp的插入和缺失,其编码的蛋白含有植物特有的器官大小调控区(OSR)和跨膜结构域,而大粒单倍型GS3-NDJY1由于第2个外显子处的无义突变,导致编码蛋白只含有部分OSR结构域。进一步的研究表明,在J155背景下分别敲除OSR和跨膜结构域都能显著增加其粒长和粒重,过表达植株则表现粒长明显变短,株高降低,穗长变短,证明GS3-N可能具有一因多效的作用。本研究结果表明作为调控粒长的负调节子,GS3-N编码蛋白和转录表达水平的差异是引起J155和DJY1粒型差异的原因,这不仅为水稻粒型驯化机制提供新的理论基础,还将为现代水稻栽培种提供更多的粒型遗传资源。