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《Nature Communications》:揭示水稻結實率關鍵控制基因 
作者:中國水稻信息網
來源:中國水稻信息網
發布時間:2013-11-19

11月18,在線雜志Nature Communications報道了我國科學家在水稻生殖發育和產量性狀解析方面取得的突破性進展。在這篇題為“Natural variation in PTB1 regulates rice seed setting rate by controlling pollen tube growth”論文中,來自四川農業大學的研究人員通過對一個控制水稻結實率的關鍵基因的圖位克隆,綜合利用組織細胞學、遺傳學和生化分析等手段系統證實了PTB1基因是控制水稻花粉管生長、調控水稻結實率的關鍵基因,首次解析了水稻結實率這一重要產量性狀的分子機制,為進一步理解水稻花粉管生長和明確水稻結實率的相關調控通路提供了全新視點,并可能促進其在水稻高產穩產中的直接應用。

水稻單株產量=穗著粒數×結實率×有效穗數×粒重。近年來,針對穗著粒數、有效穗數和粒重等性狀相關基因的克隆取得了長足的進展,相關生物學過程的分子機制也逐漸明朗。由于結實率易受多種環境因素的影響而發生較大的波動,是水稻產量因子中最不穩定的因素,研究難度大,尚未獲得突破性的研究進展。此外,水稻結實率的高低不僅決定產量的高低,也是品種適應性和產量穩定性的重要評價指標。因此,揭示水稻結實率的分子機制,對于理解水稻生殖發育和高產穩產具有重要意義。

在該項研究中,研究人員利用一個水稻低結實率突變體,成功克隆了一個控制水稻結實率的主效基因PTB1,并證實其通過控制水稻花粉管生長從而正向調控結實率。解剖及顯微觀察證實,該低結實率突變體表現雌性不育,但雌、雄性器官及胚囊等均表現正常,低結實的原因在于花粉管在花柱中的生長受阻。圖位克隆發現,PTB1基因內部一個約470 bp的序列缺失導致了低結實的突變表型。PTB1基因編碼一個RING型E3泛素連接酶,主要在花柱中優勢表達,具有促進花粉管在生殖道中生長的深度和數量的功能,從而直接調控水稻結實率的高低。基因表達分析顯示,在轉基因群體和自然群體中,水稻植株的結實率均與PTB1基因的表達水平極顯著正相關,過量表達PTB1基因亦有提高結實率的趨勢。深入研究發現,水稻在高溫、低溫等異常條件下的結實率下降主要基于異常環境溫度導致的PTB1基因表達水平下調。群體遺傳分析證實,該基因在栽培稻(特別是秈稻)中的單倍型較野生稻大幅下降,提示該基因在水稻馴化過程中受到強烈的選擇。由于該基因啟動子區域4個SNP變異(組成2種單倍型)與該基因的表達水平和結實率表現相關,推測其為人工選擇的靶標位點。進一步的體外生化實驗表明PTB1蛋白具有E3泛素連接酶的生化功能,推測PTB1特異地降解了一個對花粉管生長具有抑制作用的負調控因子,從而促進花粉管的生長,進而正向促進結實率的提高。

Nature Communications創刊于2010年4月,由Nature出版集團在線出版。根據ISI歷年發布的JCR(Journal Citation Reports)數據,Nature Communication論文引用的相關指標分別為:0.591(Immediacy Index,2010年),7.396(Impact Factor,2011年)和10.015(Impact Factor,2012年)。根據《2012 JCR Science Edition》數據,該刊最新的學科排名為:在總計56種期刊的多學科(Multidisciplinary Sciences)中排名第3位。

論文摘要:

Grain number, panicle seed setting rate, panicle number and grain weight are the most important components of rice grain yield. To date, several genes related to grain weight, grain number and panicle number have been described in rice. However, no genes regulating the panicle seed setting rate have been functionally characterized. Here we show that the domestication-related POLLEN TUBE BLOCKED 1 (PTB1), a RING-type E3 ubiquitin ligase, positively regulates the rice panicle seed setting rate by promoting pollen tube growth. The natural variation in expression of PTB1 which is affected by the promoter haplotype and the environmental temperature, correlates with the rice panicle seed setting rate. Our results support the hypothesis that PTB1 is an important maternal sporophytic factor of pollen tube growth and a key modulator of the rice panicle seed setting rate. This finding has implications for the improvement of rice yield.

詳細信息:

http://www.cnrri.cn/zjww/Detail.aspx?id=20024590

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