Natural Variation in the Promoter of GSE5 Contributes to Grain Size Diversity in Rice译文及感悟

GSE5启动子的自然变异有利于水稻粒宽多样性的增加

摘要

自然遗传变异的利用极大地促进了农作物重要农艺性状的改良。了解籽粒大小自然变异的遗传基础可以帮助育种者开发高产水稻品种。在这项研究中，我们通过将全基因组关联研究与功能分析相结合，在GSW5 / GW5基因座控制水稻粒径中鉴定出一种以前未被识别的基因，命名为GSE5。 GSE5编码与IQ结构域的质膜相关蛋白，其与水稻钙调蛋白OsCaM1-1相互作用。我们发现GSE5功能的丧失导致了宽粒和较重的谷物，而GSE5的过表达导致狭窄的谷物。我们证明，GSE5主要通过影响小穗壳中的细胞增殖来调节籽粒大小。根据其启动子区的缺失/插入类型，鉴定了栽培稻中GSE5（GSE5，GSE5DEL1 + IN1和GSE5DEL2）的三种主要单倍型。我们证明携带GSE5DEL1 + IN1单倍型的籼稻品种中的950bp缺失（DEL1）和携带GSE5（DEL2）单倍型的粳稻品种中的1212bp缺失（DEL2）与GSE5的表达降低相关，导致宽的谷粒。进一步的分析表明，野生稻种质中含有GSE5的全部三种单倍型，这表明栽培稻中存在的GSE5单倍型可能来源于水稻驯化过程中不同的野生稻种质。综上所述，我们的研究结果表明，在水稻育种者广泛使用的GSW5 / GW5基因座中，以前未被识别的GSE5基因控制着谷粒大小，并揭示了GSE5启动子区域的自然变异有助于水稻的粒径多样性。

介绍

现代农业必须迎接人口增长和耕地面积减少的挑战。稻米是一种非常重要的作物，为全球一半以上的人口提供食物。不同品种的遗传变异为水稻重要农艺性状的改良提供了有价值的资源。水稻育种家已经探索了涉及产量相关性状调控的基因的自然变异，以开发优良水稻品种。水稻产量由粒重，每穗粒数和单株穗数决定。谷粒大小与谷物重量，谷物产量和外观品质有关。已经在水稻中鉴定了几个数量性状基因（QTL），但是只有少数有益的等位基因被水稻育种者广泛使用。

亚洲栽培稻包括籼稻和粳稻亚种，它们在粒度和形状上表现出很大的变化。典型的籼稻品种产生长粒，而粳稻品种形成圆粒和短粒。据报道，部分稻米基因的自然变异是由水稻种植者选择的。例如，主要的粒长QTL（GS3）的自然变异有助于籼稻品种和粳稻品种之间的粒长差异。长粒籼稻品种通常含有功能缺失型等位基因，矮粳稻品种常具有野生型等位基因。相比之下，主要QTL（GSW5 / GW5）的自然变异决定了籼稻和粳稻品种的粒宽差异。先前的研究报道，GSW5 / GW5基因编码与泛素相互作用的未知蛋白。大多数粳稻品种的1212bp缺失破坏了qSW5基因，导致了谷粒的变宽。相比之下，籼稻品种在GSW5基因中不包含这种1212bp的缺失，从而产生狭窄的谷粒。此外，全基因组关联研究（GWAS）已经确定了多个关于栽培稻粒度的关联信号。最近使用GWAS方法鉴定了QTL基因GLW7 / OsSPL13。热带粳稻GLW7的高表达与大粒有关。然而，稻米自然变异的粒度基因尚未得到充分的探索。

在这项研究中，我们报告了在GSW5 / GW5基因座控制水稻粒度中以前未被识别的基因（GSE5）的鉴定。 GSE5编码具有IQ结构域（IQD）的质膜相关蛋白质，其通过限制小穗壳中的细胞增殖来调节谷粒宽度。在一些籼稻品种和大多数粳稻品种中，GSE5启动子区域中存在两种主要类型的缺失，即DEL1和DEL2，导致GSE5表达降低，从而导致栽培稻谷粒宽。野生稻种质同时含有DEL1和DEL2，表明栽培稻中的这两个缺失可能来源于水稻驯化过程中不同的野生稻种质。

结果和讨论

1、通过GWAS分析鉴定含GSE5的基因座

为了鉴定与控制颗粒大小有关基因的自然变异，我们进行了GWAS分析实验。我们使用了102个籼稻品种，它们表现出很大的粒度变异。为了检测核苷酸多态性，我们对这102个籼稻品种进行了全基因组测序，总共获得了677.3 Gb的基因组序列。平均测序深度为15.4×，覆盖参考基因组序列的96.4％（International Rice Genome Sequencing Project，2005）。在102个籼稻品种中共检测到831050个单核苷酸多态性（SNP）。基于这些核苷酸多态性，我们进行了主成分分析（PCA）来表征这102个籼稻品种的种群结构。如附图3所示，这102个籼稻品种没有表现出高度结构化的群体。然后，我们使用这些SNP分析了这102个籼稻品种的连锁不平衡（LD）。在这个群体中，LD的平均衰减约为220kb（补充图4），与以前的水稻研究报道的相似。

然后，我们使用混合线性模型（GWAS分析的一个广泛使用的方法）的亲缘关系校正，在这个籼群体中进行了谷粒宽度GWAS分析。如图1A，补充图5和补充表2所示，三个位点与谷粒宽度显着相关。由于该种群结构适中，种群规模不够大，因此其他一些与种子宽度有关的位点在这个种群中可能是微不足道的，因此被我们的GWAS分析所忽略。令人惊讶的是，发现一个谷粒宽度位点位于第5号染色体上的GSW5 / GW5区域，已知这个区域确定了籼稻和粳稻品种之间的谷粒宽度差异。我们分别分析了籼稻品种籽粒宽，粒宽窄的GSW5基因座序列。大多数籼稻品种在GSW5的3'侧翼区域中含有950bp的缺失（DEL1），但是大部分品种较窄的品种在该区域没有这种大的缺失（图1C）。由于DEL1在qSW5的3'非编码区中存在，具有宽粒的籼品种仍然具有qSW5基因的完整编码区（图1C）。如果这个DEL1影响籼稻品种GSW5的功能，我们推测它可能会减少GSW5的表达。然而，DEL1与籼稻品种GSW5的表达水平无关（图1D），表明DEL1可能不影响qSW5的功能。因此，GSW5不可能是这些籼稻品种之间谷粒宽度差异的原因。重要的是，DEL1与籼稻品种的籽粒宽度密切相关（图1E），表明该基因座中的另一个基因可能是导致籼稻品种籽粒宽度变异的原因。因此，我们将此基因命名为染色体5（GSE5）。

2、LOC_Os05g09520的表达水平与谷物宽度相关联

为了鉴定GSE5基因，我们使用了成对LD相关性来估计5.357 Mb到5.379 Mb（22.42 kb）的候选区域（图1B）。在22.42-kb区间内有两个基因qSW5和LOC_Os05g09520（图1B 和1C）。这个结果表明LOC_Os05g09520是GSE5的候选基因。因此，我们分别在宽粒和窄