水稻落粒性

有关水稻落粒性的进化

作物的进化往往开始于不落果或不落粒的植物。这种导致谷类作物进化的落粒性减轻的性状与大效应的遗传位点有关。然而，这种关键的遗传过渡的分子基础仍然是未知的。在此，我们证明水稻进化过程中落粒性的减少是由于人类对一个由未知功能的基因编码的DNA结合域处的一个替换蛋白质的选择。谷粒从花梗上的脱落是由离层控制的,而这种替换破坏了离层正常发育所必需基因的功能。

水稻，作为世界上的主要食物，是从野生杂草发育而来。因为野生杂草的谷粒成熟后自然脱落，所以谷物早期进化的必要阶段是选择成熟后不落粒的植物以达到有效收获的目的(1,2)（Fig.S1）。这种选择进程并不一定是有意识的，因为不过早落粒的植物有较好的机会被收获并在下一年被种植。因此，在进化过程中不落粒等位基因的频率增大并最终代替落粒的等位基因。我们发现一个基因位点，该位点可以解释大多数谷类作物和它的原始亲本间的落粒性状的表型差异，这个发现证明对该基因位点的选择应该会加速进化过程(3-5)。然而，选择的分子遗传基础尚未清楚。水稻是由一个或两个亲缘关系很近的物种-O.nivara 和O.rufipogon-广布东南亚到印度(6,7)。我们最近对O. sativa ssp. indica 和野生一年生的O. nivara杂交所获得的F2代群体进行分析发现了3个QTL-sh3, sh4 , sh8-是栽培稻的落粒性状减弱的主要因素(5)。这些QTL中，sh4解释了69%的表型变异，其它两个QTL分别解释了6.0%，3.1%的表型变异。故野生稻中的sh4基因是一个显性的引起落粒的基因。

两个先前使用O.sativassp.indica和野生多年生物种O.rufipogon..杂交来对QTL进行的研究发现四个和五个QTL(8,9)。两个研究都在sh4的位置定位了一个QTL，并且这个QTL在检测到的QTL中具有最大或几乎最大的表型效应。而且，对O.sativassp.indica japonica和

O.rufipogon.以及其他两个亲缘关系很近的野生品种O. glumaepetula 和O.meridionalis的遗

传分析发现了三个野生品种中都具有的一个单显性基因和落粒相关(10,11)。将该位点命名为sh3，并将其定位到和sh4相同的染色体位点。

我们进行分析将sh4定位到分子标记RC-123R和M280（SSR标记）之间(5)，在O. sativa 基因组中这两个分子标记之间的物理距离为1360kb(12) (Fig. 1A).。因为O. nivara中的显性基因位点的效应很大，我们可以不管其它两个小效应的QTL位点而从表型将F2代中纯和隐性单株（ss）和至少在sh4位点含有O. nivara基因的显性个体（ns,nn）区分开。我们对489个F2代个体的三个落粒QTL位点的基因型进行检测，发现在sh4位点具有ns和nn的植株在拍打时全

部的成熟谷粒都会落下，而该位点基因型为ss的植株即使在激烈拍打时不落粒或部分落粒。

有了这个可靠的表型检测方法，我们种植了12000株F2代秧苗并将扫描它们在分子标记RC-123R和M280之间的重组。我们对一个标记位点的基因型为ns而另一标记位点为ss的单株进行选择，总共有134个单株符合条件并将其种植以进行表性检测。对标RC-123R和M280之间的SSR标记和SNP标记进行检测，最终将栽培水稻中的不落粒的突变基因定位在一个未知功能基因的1.7kb处(Fig. 1B and table S1)。经预测该基因是一个转录因子，它的编码区域被定位到水稻第四条染色体上已有基因LOC_Os04 g57530上的第34014305和34012126碱基对之间(The TIGR Rice Genome Annotation Database)。

我们对两个作图群体亲本中的1.7kb序列进行比较发现了七个突变(Fig. 1C)。这七个突变包括一个内含子突变：(a)1-bp的替换；第一外显子处的三个突变：(b)一个15-bp或是三个氨基酸的插入或缺失,(c)一个3bp或一个氨基酸的插入或缺失，（d）一个1 bp或一个氨基酸的替换；以及起始密码子5，端上游的三个突变：(e)-55位点1bp的替换，(f) -343位点和-344位点之间3bp的插入和缺失(g)-558位点和-559位点间8bp的插入或缺失。

为估测这些突变的多态性及进化的方向,我们对以下品种中的1.7kb进行测序：可以代表O.sativa多样性的14个栽培品种(14)，可以覆盖野生品种分布的21个O.nivara的品种(15) ，O. rufipogon的六个品种,现存的四种野生A种基因组的水稻(Fig. 1C and table S2)。栽培种在f位点具有多态性，其它的栽培种内含有和O. nivara相同的序列。在剩余的六个突变位点中，所有的栽培种都具有相同的序列，而这些同源序列和O. nivara并不相同。

令人惊奇的是三个O. nivara品种在这六个位点的序列和O. sativa相同。我们随后发现由这三个品种所得的植株都具有非落粒的性状。温室观察发现这三个品种具有栽培稻的其它特性，如：直立的分蘖、短刺或光周期敏感。这暗示三个品种是杂草稻，并且从栽培稻中获得并固定了sh4的等位基因。其它的具有明确的落粒性状的野生稻品种在d位点与栽培稻明显的分离，而在O. sativa中此位点由T突变为G导致天门冬氨酸替换为精氨酸。在剩余的五个突变中，序列多态性存在于野生品种中(Fig. 1C)。也就是说，在这些位点处，一些野生品种和栽培品种虽有相同的序列但具有落粒性。因此，结果证明水稻进化中非落粒品种的形成是对d 位点氨基酸替换选择的结果。

在Genbank中对蛋白序列进行BLAST搜索发现了三个与sh4相似的预测基因，包括水稻基因（XP_469180），与sh4的氨基酸具有32%的同源性；两个拟南芥基因（NP_174416 and NP_181107）与sh4分别具有32%和29%的同源性。这些基因的功能都尚未被鉴定。据预测两个拟南芥基因是转录因子(16)，并且其中一个在数据库中具有cDNA序列（AAT99796）。其