Nat Commun：中科院遺傳所李家洋研究組等揭示水稻理想株型基因超高產等位位點的克隆與作用機理

2017年3月20日， 國際學術權威刊物自然出版集團旗下子刊《Nature Communications》雜誌線上發表了中國科學院植物生理生態研究所何祖華研究組和遺傳發育研究所李家洋研究組合作的一篇研究論文， 何祖華研究組畢業博士生和植物逆境中心李建明研究組博士後張林與遺傳發育所李家洋研究組副研究員余泓博士為該論文的共同第一作者， 何祖華研究員和李家洋研究員為共同通訊作者。

水稻株型是決定水稻產量的主要因素之一， 也是決定抗倒性的主要農藝性狀， 水稻理想株型的塑造是提高水稻產量的重要途徑。

控制水稻理想株型的主基因IPA1 (Ideal Plant Architecture 1) 編碼一個含SBP-box的轉錄因數， 參與調控多個生長發育過程。 我國近些年培育的很多超級稻品種都具備理想株型特徵， 然而其分子遺傳調控機制一直沒有得到挖掘。 李家洋研究組與何祖華研究組等合作， 在水稻理想株型優異等位位點克隆及精細調控機理上取得新進展。

利用超級稻品種甬優12的原始育種品系， 通過圖位克隆的方法， 克隆了調控株型的主效位點qWS8/ipa1-2D， 該位點位於IPA1基因上游的一段大片段三元串聯重複序列， 這一基因組結構變異導致了IPA1啟動子區甲基化水準降低， IPA1基因表達量上升， 從而使植株出現理想株型的表型， 並同時具有適當的分蘖數。 根據基因組重測序結果，

推測該新位點大約上世紀60年度起源于我國東南沿海。 。 進一步研究表明， IPA1對株型有著精細的劑量調控效應， 利用IPA1的不同等位位點， 實現IPA1的適度表達是形成大穗、適當分蘖和粗稈抗倒理想株型的關鍵。 利用ipa1(現定名為ipa1-1d )及ipa1-2d新位點， 與嘉興農科院合作育成了嘉優中科系列品種， 增產效果顯著， 實現了超級稻新品種的分子設計育種。 該研究為今後水稻理想株型的分子設計育種提供了重要遺傳資源和技術途徑， 並為進一步解析水稻株型精細調控機理和水稻新品種設計培育奠定了基礎。

圖示顯示不同自然等位元組合能夠創造不同的IPA1基因表達水準， 從而對分蘖數和穗型產生劑量化影響， 合理平衡分蘖數和穗粒數， 從而達到最高產量潛力;該圖也說明通過不同的等位元組合， 育種家可以創造出符合不同種植環境和遺傳背景的株型特徵， 提高育種的可操作性。

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原文摘要：

Super hybrid rice varieties with ideal plant architecture (IPA) have been critical in enhancing food security worldwide. However, the molecular mechanisms underlying their improved yield remain unclear. Here, we report the identification of a QTL, qWS8/ipa1-2D, in the super rice Yongyou12 (YY12) and related varieties. In-depth genetic molecular characterization of qWS8/ipa1-2D reveals that this newly identified QTL results from three distal naturally occurring tandem repeats upstream of IPA1, a key gene/locus previously shown to shape rice ideal plant architecture and greatly enhance grain yield. The qWS8/ipa1-2Dlocus is associated with reduced DNAmethylation and a more open chromatin state at the IPA1 promoter, thus alleviating the epigenetic repression of IPA1 mediated by nearby heterochromatin. Our findings reveal that IPA traits can be fine-tuned by manipulating IPA1 expression and that an optimal IPA1 expression/dose may lead to an ideal yield, demonstrating a practical approach to efficiently design elite super rice varieties.