[发明专利]一种控制水稻谷粒粒宽和粒重的主效基因GS5的克隆与应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程技术领域。具体涉及到一个位于水稻第五染色体短臂上控制谷粒粒宽和粒重的主效QTL(GS5)的基因克隆与应用。

背景技术

水稻谷粒大小是一个重大的农艺性状：(1)谷粒大小由粒长、粒宽、粒厚三个子性状控制，是千粒重的主要决定因素，而粒重又是水稻产量的三个主要构成因子之一。因此，谷粒大小是一个重要的产量性状；(2)粒重和粒长、粒宽、粒厚等性状呈极显著正相关(邢永忠等，2001，植物学报43：840-845)，所以谷粒大小还是一个重要的稻米外观品质性状。稻谷品质越来越被世人所关注，人们对稻米米质的要求不仅是口味的舒适，还要求外型的美观，因此稻米外观品质的好坏直接关系稻米商品性的好坏，而在我国国家优质稻谷标准中还对稻米粒长与粒宽的比值作了具体规定，认为优质的籼稻品种的稻米长宽比不能低于2.8。(3)谷粒大小在作物的进化研究中具有重要的意义。一般认为野生种具有小而圆的谷粒粒形以适应自然选择，经过人类长期的驯化和选择，现有栽培种的谷粒粒形明显变大。因此，阐明谷粒大小的遗传基础和分子机理有利于同时改良水稻的产量和品质，还可为禾本科的进化研究提供线索。

谷粒大小的遗传基础比较复杂，是典型的数量性状。利用分子标记技术可以对控制数量性状的QTL(Quantitative Trait Loci)进行定位和分解，将复杂的数量性状分解为简单的孟德尔因子来进行研究。利用这种方法，近年来已经发现了许多控制谷粒大小的QTLs。其中位于水稻第五染色体短臂上控制谷粒粒宽和粒重的主效QTL，(该QTL在本发明中被命名为GS5)在许多研究中都能检测到(林鸿宣等，1995，中国农业科学28：1-7；Wan等，2005，Theor.Appl.Genet.110：1334-1346)。本实验室利用珍汕97/明恢63衍生的F_2-3和重组自交系群体也多次检测到GS5区域存在一个主效QTL同时控制着谷粒粒宽和粒重，并且可以揭示粒宽总变异的30％以上以及粒重总变异的10％以上(Yu等，1997，Proc.Natl.Acad.Sci.USA94：9226-9231；Li等，2000，Theor.Appl.Genet.101：248-254；Tan等，2000，Theor.Appl.Genet.101：823-829；Xing等，2001，Acta.Bot.Sin.43：721-726；Xing等，2002，Theor.Appl.Genet.105：248-257；Hua等，2002，Genetics 162：1885-1895)。这些结果表明GS5基因可以在不同的遗传背景以及不同环境下都能稳定表达，因此GS5对于水稻产量和品种性状的改良具有巨大的应用潜力和前景，对GS5基因进行克隆可以为水稻的产量和品质育种提供新的重要的基因资源。

在遗传上，QTL与控制质量性状的基因一样会通过遗传重组进行分离，差异只是遗传效应的大小方面，因此QTL同样可以进行精细定位。但在初级群体中QTL与其它许多非QTL位点一起同时发生分离，这些非QTL位点和环境因素一样都会对QTL的表型性状产生极大的干扰作用。因此，在利用初级群体进行QTL定位时，QTL的置信区间通常在10cM以上(Darvasi等，1992，Theor.Appl.Genet.85：353-359)，很难确定检测到的一个主效QTL到底是一个还是多个微效QTL(Yano and Sasaki，1997，Plant MolecularBiology 35：145-153)。因此有必要在初级定位的基础上，对QTL进行高分辨率的精细定位(＜1cM)。通常，用于QTL精细定位的最好办法就是构建含有目标QTL的染色体片段替代系(Chromosome segmentsubstitution line，CSSL)或近等基因系(Nearly isogenic line，NIL)等次级定位群体(Secondary population)，使群体中只有单个的QTL位点发生分离，极大限度地减少了个体间由于遗传背景和环境不同造成的对目标性状产生的干扰，使该位点表现为简单的孟德尔因子遗传，从遗传和统计上为QTL的精细定位创造便利条件。这种方法已经在许多QTL的精细定位和基因克隆研究中发挥了重要的作用(Yano等，2000，PlantCell，12：2473-2484；Frary等，2000，Science 289：85-88)。这些方法为采用图位克隆的策略分离、克隆GS5的基因提供了依据。