李云海研究组在水稻种子大小研究中取得新进展

水稻是我国的主要粮食作物之一，其产量主要由粒重、穗粒数和有效穗数决定。因此水稻的籽粒大小影响着水稻的产量。水稻育种家正在利用籽粒大小自然变异改良水稻产量和品质。目前已经克隆了一些控制水稻籽粒大小的重要基因，但水稻籽粒大小调控的分子机理仍不清楚，且只有很少几个籽粒大小基因的等位变异已被育种家广泛利用。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李云海研究组与中国水稻研究所钱前研究组和中国科学院植物研究所的葛颂研究组合作，通过对102份籼稻品种进行基因组测序，对籽粒大小进行表型分析，通过全基因组关联分析和基因表达分析，定位到一个控制粒宽的关键数量性状位点GSE5。通过基因表达分析、基因敲除和转基因功能互补验证等方法证明GSE5基因在不同水稻品种间的差异表达是造成粒宽差异的主要原因。研究发现部分籼稻品种GSE5启动子有950碱基缺失（DEL1），大部分粳稻品种GSE5启动子有1.2kb缺失（DEL2），DEL1和DEL2降低了GSE5表达量，从而导致籽粒变宽。在46.1%的籼稻品种中， GSE5启动子含有DEL1和367 bp 插入，而81.3%的粳稻品种GSE5启动子含有DEL2。研究表明籼稻品种中DEL1和粳稻品种中的DEL2均造成GSE5基因表达量的下降，导致粒宽增加。运用CRISPR/Cas9技术敲除GSE5基因可以使籽粒进一步变宽、粒重增加。相反，GSE5过表达植株种子细长。GSE5通过影响种子的细胞数目来控制籽粒宽度。现代栽培稻是通过普通野生稻进化而来，对不同地区普通野生稻GSE5的序列分析表明，现代栽培稻中GSE5的不同单倍型是从不同的野生稻选育而来。该研究阐明了籼稻品种间和籼粳亚种之间粒宽差异的分子遗传基础，有望进一步利用GSE5基因改良水稻籽粒大小和产量，对于水稻高产育种具有重大意义。

该项工作与2017年3月30日在线发表于Molecular Plant杂志（DOI:10.1016/j.molp.2017.03.009），李云海研究组的助理研究员段朋根和博士后徐劲松为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、中科院战略先导专项、国家自然科学基金委和国家转基因专项等项目资助。