基因OsPIL13在提高水稻籽粒长度和千粒重方面的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业科学领域，具体而言，本发明涉及通过提高水稻0SPIL13基因的表 达水平来提高水稻籽粒长度和千粒重。
【背景技术】
[0002] 水稻是全球最主要的粮食作物，全球有50%的人口以稻米为主食。水稻生产对保 障全球粮食安全，减少贫困人口和农村就业发挥着重要的作用。长期以来，水稻是我国播种 面积最大、总产量最多、单产最高的粮食品种，是我国65%左右人口的主食，在粮食生产和 消费中处于主导地位。据估计，到2030年，水稻粮食产量需要增长40 %才能满足全世界人口 增长的需求(Khush等，2005，Plant Mol .Biol. 59，1-6)，由此可见提高水稻产量依然是目前 植物育种的重要研究目标。水稻产量有三个重要决定因素:单株穗数、每穗粒数及粒重。研 究表明水稻粒形性状(包括籽粒长度、籽粒宽度、长/宽比及籽粒厚度)与粒重有直接相关关 系（Tan等，2000，Theor.Appl .Genet .101,823-829)，因此阐明水稻粒形的遗传与发育机理 并将之应用于育种是提高水稻单产的一个重要手段。
[0003] 水稻重要的农艺性状在遗传上多受多基因控制，即表现出数量性状位点（QTL)的 特点。研究表明，水稻籽粒长度通常由3~5个主效QTL控制，多表现为加性效应(Yang等， 2001，J.Anhui Agric. Sci . 29，164-167)，并兼有不完全显性作用，其显性作用因品种而异， 一般认为显性作用长>中>短>极短，但也存在短粒显性和长粒隐性的情况（莫惠栋， 1993,26(4)，8-14;高志强等，2011，冊1^01了43,33(4)，314 - 321)。籽粒宽度及长宽比由加 性或显性效应的多基因调控（Fu等，1994, Acta Agron. Sin. 20,39-45; Shi等，1995， Chin. J.Rice Sci .9,27-32; Yang 等，2001，J. Anhui Agric .Sci .29,164-167)，而籽粒厚度 则多由加性效应的多基因控制，但也存在母性遗传效应的影响（H u a n g等，2 013，T r e n d Plant Sci.，18,218-226)。尽管许多研究表明结果并非一致，但多数认为籽粒长度、宽度、 厚度均与粒重成正相关关系，其中，籽粒长度对粒重的影响最大（Rui等，1983， Sci .Agric .Sin. 5,14-20 ; Lin 等，2003，Mol .Plant Breed. 1,337-342; Xing 等，2010， Annu.Rev.Plant Biol.61，421_442;Huang等，2013，Crop Sci.)〇
[0004] 到2013年 10 月，Gramene 网站（http: //archi ve · gramene · org/)收录的关于水稻粒 重的QTL有1200个，籽粒长度QTL有1225个，籽粒宽度QTL有875个，长宽比QTL有1000个，而未 有籽粒厚度QTL的报道。尽管已在不同群体中定位到水稻籽粒性状的QTL，但目前克隆的基 因并不多，而且大多数基因的生化和细胞学功能还不很清楚。最先被鉴定的控制水稻粒重 和籽粒长度的主效QTL位点是GS3(GRAIN SIZE 3)，位于3号染色体着丝粒附近，编码232个 氨基酸。GS3蛋白序列分析发现其含有四个功能域:N端含有一个类似PEBP结构域，是植物调 控器官大小所特有的（0SR);第97~117氨基酸间含一个跨膜结构域，第116~155氨基酸间 含一个TNFR/NGFR family富半胱氨酸结构域，C端含富半胱氨酸的VWFC结构域(Fan等， 2006，Theor.Appl.Genet.ll2，1164-1171;Mao等，2010，Proc Natl Acad Sci USA,2010， 107(45) ,19579-19584)。基因功能分析发现，0SR功能域是调控水稻籽粒大小的所必需的负 调控因子，缺失该功能域籽粒变得很长;而C端的TNFR/NGFR及VWFC则抑制OSR的功能，缺失 这两个功能域的籽粒则很短（Mao 等，2010，Proc Natl Acad Sci USA, 2010,107(45)， 19579-19584) DGL3.1，是以水稻品种Fengaizhan-l(FAZl)和Waiyin-3(WY3)为两亲本的杂 交群体中调控籽粒长度、粒重及产量的主效QTL。图位克隆结果显示，GL3.1编码Ser/Thr磷 酸化酶，是Kelch蛋白磷酸化酶家族的成员（Qi等，2012，Cell Res.，22，1666-1680)。61^3.1 直接去磷酸化其底物细胞周期蛋白Cyclin-Tl; 3而加速细胞分裂，从而产生长的籽粒，这是 在磷酸化介导的生物学功能中的新发现。有意思的是Zhang等(Proc Natl Acad Sci USA, 2012，109,21534-21539)在野生水稻资源的N411中同样发现了这个基因，该基因在N411中 第二个Kelch功能域上保守的AVLDT区域的D364E的稀有等位变异qgl3导致长粒表型。生长 素作为最重要的植物激素之一，参与了植物生长发育的众多重要过程。通过对一水稻大粒 显性突变体BG1研究表明，其编码一个受生长素特异诱导的早期响应的未知功能蛋白，在水 稻茎和穗的维管组织中特异表达(Liu等，2015，Proc Natl Acad Sci USA，112(35)11102-11107)。有意思的是，BG1过表达株系生长素极性运输能力显著增强，并导致水稻籽粒显著 增大。田间试验表明，BG1过量表达株系与对照相比千粒重增加25%，产量增加21 %。细胞色 素 P450在调控水稻籽粒大小上也有报道，如Xu等（2015，Plant，Cell&Environment，38(4), 800-811)通过大规模筛选水稻T-DNA插入突变体库，获得一个水稻籽粒显著变大的突变体 材料。分子生物学及遗传学研究表明，该表型是由于编码一个细胞色素 P450基因 0 s C Y P 7 8 A13的激活而导致。对15 2 9份水稻品种序列多态性的分析发现在籼稻品种中 CYP78A13的多态性显著高于粳稻品种。进一步通过对粳稻品种日本晴和籼稻品种9311基因 组序列的比对发现在CYP78A13的启动子区域有3个InDELs，在编码区有8个SNPs。这项研究 揭示籼稻品种中CYP78A13的多态性在水稻高产育种中具有非常大的潜在应用价值。D2和 D11编码两个细胞色素 P450氧化还原酶，参与油菜素内酯(BR)的生物合成。D2(CYP90D2)催 化BR生物合成过程中从6-脱氧茶留酮（6-deoxoteasterone)-3-脱氢-6-脱氧茶留酮（3-dehydr〇-6-deoxoteasterone)和茶留酮（teasterone) - 3-脱氢茶留酮（3-dehydroteasterone)的反应。矮杆突变体d2莖杆短而粗，穗部直立密集，谷粒比野生型小。 d2的表型通过外源的BRs处理可恢复（Hong等，2003,Plant Cell 15,2900-2910)』11 (CYP724B1)的编码产物是BR生物合成过程中的一种关键酶，可能对6-脱氧香蒲留醇（6-DeoxoTY)和香蒲甾醇(TY)的合成起催化作用。过表达基因 D11引起发育的花药和种子中糖 积累量增加以及籽粒产量提高，如粒长、粒宽增加，千粒重和小穗数目也有一定增加 (Tanabe等，2005，Plant Cell njTG-TgOhPGLUPOSITIVE REGULATOR OF GRAIN LENGTH 1)是一个非典型的不结合DNA的碱性螺旋-环-螺旋蛋白（bHLH)，过量表达PGL1增加了籽粒 长度和重量。APG是PGL1的拮抗性互作因子，两者都定位在核内。PGL1/APG介导的籽粒长度 增加是由于内颖细胞长度增加引起的。PGL1-APG代表了一个新的籽粒长度和重量调控途 径，APG是一个负向调节子，其功能受到PGL1的抑制（Heang等，2012，PL〇S 0NE，7(2): e31325)〇
[0005] GW2(GRAIN WIDTH 2)，是调控水稻籽粒宽度及粒重的主效QTL，编码RING类E3泛素 化连接酶(Song等，2007，Nat. Genet. 39，623-630) AW2通过蛋白酶水解其底物而负调控于 细胞分裂，缺失GW2功能将导致细胞数目增加，产生较大的颖壳，加速籽粒的灌浆速率，从而 提高了籽粒的宽度、籽粒重量及产量。GW5(GRAIN WIDTH 5)是调控水稻籽粒宽度的主效 QTL，编码一个144氨基酸组成的核定位蛋白，该蛋白包含一个核定位信号和一个富精氨酸 区域(Weng等，2008，Cel 1 Res. 18，1199-1209)。通过酵母双杂交实验证实GW5与多聚泛素有 相互作用，表明GW5可能通过