主要农作物产量性状形成的分子基础

项目来源

国家重点研发计划(NKRD)

项目主持人

傅向东

项目受资助机构

中国科学院植物研究所

项目编号

2016YFD0100405

立项年度

2016

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

1015.00万元

学科

七大农作物育种

学科代码

未公开

基金类别

“七大农作物育种”重点专项

关键词

作物 ; 光合作用 ; 同化物分配 ; OsPIL14 ; HPR1/2 ; IPS1/2 ; SAG116 ; Crop ; photosynthesis ; Assimilate distribution

参与者

林荣呈;马伯军;周海;郭房庆;郎志宏;刘翠敏;马亭亭

参与机构

浙江师范大学;华南农业大学;中国科学院遗传与发育生物学研究所;中国科学院分子植物卓越创新中心;中国农业科学院生物技术研究所;中国科学院分子植物科学卓越创新中心

项目标书摘要:光合作用是作物产量形成的物质基础,提高作物光合效率是提高作物产量的重要途径。提高光合作用碳同化产物转运与分配效率也是增加作物产量的有效手段。为了探究如何提高作物光合效率以及分配效率,应用遗传学、组学与分子生物学,克隆了调控光合作用效率(OsPIL14、HPR1、HPR2 和IPS1)、同化产物分配(ES1、PGI和SAG116)等性状的关键基因及调控元件。主要研究结果如下:(1)过量表达HPR1和HPR2可以提高水稻光合效率和产量;(2)过表达OsPIL14促进盐胁迫时水稻中胚轴伸长、提高光合效率;(3)水稻IPS1蛋白与叶绿体发育调节因子GLK1、GLK2蛋白互作抑制GLKs对其靶基因的转录激活作用,IPS1敲除后能提高水稻光合能力、促进籽粒生物量积累。(4)玉米葡萄糖转运蛋白(SWEET1b)编码基因ES1是气孔开放的正调控因子,其基因表达受光合同化物的抑制,光合同化物可以通过ES1间接调控气孔开关。(5)超表达定位于细胞质的磷酸葡萄糖异构酶(PGIc)可以提高植物光合速率、促进淀粉的积累以及生物量。(6)水稻SAG116编码糖苷水解酶调控水稻灌浆效率,其突变体结实率下降,超表达能够提高灌浆效率并提高产量。获得4个SAG116表达水平较高的品系,其中两个品系小区产量分别增加5.9%和6.4%。

Application Abstract: Photosynthesis is the basis for crop yield.Improving crop photosynthetic efficiency is one of the important approaches to increase crop yield.Moreover,improving the efficiency of the transfer and distribution of photosynthetic carbon assimilation products is also an effective means to increase crop yields.In order to explore how to improve crop photosynthetic efficiency and allocation efficiency,genetics,omics and molecular biology were used to clone the key genes and regulatory elements that regulate photosynthesis efficiency(such as OsPIL14,HPR1,HPR2 and IPS1)and assimilation product distribution(such as ES1,PGI and SAG116).The main research results are summarized as follows:(1)Overexpression of HPR1 and HPR2 can increase the photosynthetic efficiency and yield of rice;(2)Overexpression of OsPIL14 promotes the elongation of rice mesocotyls and increases photosynthetic efficiency under salt stress;(3)Rice IPS1 interacts with chloroplast developmental regulators GLK1 and GLK2,and inhibits the transcriptional activation of GLKs on its target genes.Knockout of IPS1 increases the photosynthetic capacity of rice and promotes the accumulation of grain biomass.(4)The maize glucose transporter(SWEET1b)encoding gene ES1 is a positive regulator of stomata opening,and its gene expression is inhibited by photosynthetic carbon assimilation products,which can indirectly regulate stomatal opening through ES1.(5)Overexpression of phosphoglucose isomerase(PGIc)located in the cytoplasm increases the photosynthetic rate of plants,and promotes starch accumulation and biomass.(6)The glycoside hydrolase gene SAG116 regulate rice filling efficiency in rice,and its mutants have reduced seed setting rate.Overexpression of SAG116 increases filling efficiency and increase yield.Four lines with higher SAG116 expression levels were obtained,and the plot yield of two lines increased by 5.9%and 6.4%,respectively.

项目受资助省

北京市

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  • 1.转录因子SNB调控水稻落粒性与粒型的分子机制

    • 《2019年中国作物学会学术年会》
    • 2019-10-27
    • 中国浙江杭州
    • 会议

    【研究背景】在作物驯化和改良的过程中,通过选择落粒性降低或消除的有利变异,避免由落粒导致的产量损失,进而在收获时获得更高的籽粒产量。因此,由自然落粒转变为难落粒或不落粒是作物驯化关键事件之一,也是野生植物被驯化的直接形态学证据。近年来,国内外学者分离了多个控制作物落粒性驯化的关键基因,为揭示作物驯化和落粒性调控的分子机制提供了重要的理论依据;【材料与方法】为了进一步揭示水稻落粒性的遗传调控机制,以具有强落粒性的野生稻渗入系构建突变体库,筛选出落粒性降低的突变体ssh1(suppression of shattering 1);利用MutMap方法定位控制落粒性的基因,并通过遗传转化验证其功能;利用转录组分析和分子生物学方法,初步构建其参与的水稻落粒性遗传调控网络;【结果与分析】通过组织学分析发现,野生型在颖花和果柄连接处可形成完整的离层结构,而突变体ssh1离层发育异常且维管束变粗。结合MutMap定位和遗传转化实验,证明了AP2转录因子SUPERNUMERARY BRACT(SNB)第9内含子3′末端一个由C到A的单碱基突变(SNV6)影响了m RNA的剪接,进而改变了颖花与果柄连接处离层和维管束的发育,导致落粒性降低。遗传学和分子生物学实验证据证明,SNB基因通过正向调控两个水稻落粒性基因qSH1和SH5的表达,调控离区木质素沉积和离层发育,进而影响水稻落粒性。农艺性状调查结果表明,SNB突变型等位基因(ssh1)可影响多个产量相关性状。特别是,突变型等位基因具有增加粒长和粒重的遗传效应。将SNB突变型等位基因导入优良籼稻品种93-11中,可进一步增加粒长和粒重,表明SNB突变型等位基因的应用具有提高水稻产量的潜力;【结论】AP2转录因子SNB在水稻小穗发育过程中扮演了十分重要的角色,具有影响离层发育和颖花发育的多效性。因此,进一步鉴定SNB优异等位变异,将有助于利用分子育种策略选育落粒性适宜的高产水稻新品种。

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