摘要
水稻是重要的粮食作物之一，世界上超过一半的人口以水稻为主粮。近年来随着全球人口的增长、耕地面积的减少和极端天气的出现，粮食安全问题日益严峻，因此提高水稻的产量对于保障我国的粮食安全具有重大意义。水稻的产量取决于有效分蘖数、每穗粒数和粒重这三个因子的协同作用，而粒重作为产量三要素之一，一直是育种家研究的重点。水稻的粒重由粒长、粒宽和粒厚决定，它是受多基因调控的复杂数量性状。近年来已经报道了一些调控水稻籽粒大小的关键基因，但只对部分基因的分子调控机理进行解析。因此，挖掘更多调控水稻籽粒大小的关键基因并解析其分子机制，对于提高水稻产量和培育高产优质的水稻品种具有重要意义。 我们实验室之前报道了一个水稻籽粒大小和重量的关键QTL（Quantitative Trait Locus）,该位点有一个半显性基因 GS2（Grain Size and Weight）。GS2 编码一个转录因子OsGRF4（GROETH-REGULATING FACTOR 4）,并且该转录因子的表达受OsmiR396的调控。来自籼稻品种巨大粒的GS2在OsmiR396的靶位点发生了两个碱基的替换（由TC突变为AA）,因此将巨大粒中GS2的等位变异命名为GS2AA,该等位变异能显著增加水稻的粒长、粒宽、粒重和产量。为了评估GS2AA等位变异对水稻籽粒大小的贡献，随后将带有GS2AA等位变异的Kuangsijiadi品种与籼稻品种Huazhan进行回交，构建了 GS2AA 的近等基因系NIL-GS2AA,结果发现NIL-GS2AA的籽粒大小和重量也显著增加。 为了在NIL-GS2AA的背景下筛选更多调控水稻籽粒大小的基因，本研究对NIL-GS2AA进行EMS（Ethyl Methane Sulfonate）诱变，筛选得到了一个籽粒变得更长更宽的突变体，将其命名为eog1（enhancer 1 of NIL-GS2AA）。eog1突变体的粒长、粒宽和粒重都显著增加。细胞学分析表明，EOG1主要通过调控细胞分裂来影响水稻籽粒大小。利用eog1突变体与NIL-GS2AA进行杂交，对F2群体进行混池测序，通过Mutmap最终得到了候选基因EOG1。EOG1编码具有RRM（RNA Recognition Motif）和 SPOC（Spen paralog and ortholog C-terminal domain）结构域的蛋白。亚细胞定位分析表明，EOG1定位于细胞核。表达模式分析表明EOG1在不同的器官和组织中均有表达，尤其在水稻幼穗中表达较高。 由于eog1是在NIL-GS2AA的背景下筛选得到，首先验证了 EOG1是否与GS2存在遗传和生化上的关系。生化实验表明，GS2与EOG1体内体外均不互作;同时遗传关系表明，它们也不属于同一信号通路调控水稻籽粒大小。因此，为了进一步解析EOG1调控水稻籽粒大小的分子机制，本研究通过对水稻幼穗酵母文库筛选，得到了 EOG1 的互作蛋白 OsGSK3（glycogen synthase kinase 3（GSK3）/SHAGGY-like kinase 3）。OsGSK3是水稻中已经报道的粒长负调控因子。生化分析表明，EOG1与OsGSK3在体内和体外均互作。并且OsGSK3能够磷酸化EOG1,从而影响其蛋白稳定性。同时在遗传上，EOG1和OsGSK3也位于同一信号通路调控水稻籽粒大小。此外，EOG1也与一个MADS-box转录因子OsMADS1 互作。 综上所述，本研究发现了一个水稻籽粒大小的负调控因子EOG1。eog1突变体籽粒变大，该基因主要通过调控细胞分裂来影响水稻籽粒大小。在生化上，OsGSK3与EOG1体内体外互作并磷酸化EOG1，从而调控EOG1的蛋白稳定性。在遗传上，EOG1和OsGSK3也位于同一信号通路调控水稻籽粒大小。同时EOG1也与转录因子OsMADS1互作。基于以上结果，提出了 OsGSK3-EOG1-OsMADS1模块参与调控水稻籽粒大小的分子机制，为未来分子设计育种提供理论基础和基因资源。
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