傅向东研究组《Nature Genetics》发现新基因

　　

生物通报道，中国科学院遗传与发育生物学研究所分子农业生物中心副主任傅向东研究小组历时5年从中国超级水稻中分离出控制产量的关键基因-DEP1，该突破性成果发表在新一期的《Nature Genetics》上，文章标题：Natural variation at the DEP1 locus enhances grain yield in rice。

 

据中国科学院遗传与发育生物学研究所介绍，这项成果是在国家自然科学基金委、科技部、中科院及农业部大力支持下，历时五年的协作与攻关才完成的。此项成果首次阐述了DEP1基因在中国超级稻增产中起到的关键作用，它能促进细胞分裂，使得稻穗变密、枝梗数增加和每穗籽粒数增多，从而促使水稻增产。它揭开了中国超级稻的高产奥秘，并可望由此进一步研究培育出更为高产的水稻新品种。

 

高产稳产历来是作物育种追求的最终目标之一，寻找与高产相关的功能基因对水稻高产育种具有重要的理论意义和应用价值。然而，水稻产量由分蘖数、穗粒数、粒重、灌浆速率以及株型等多种农艺性状来决定的，是多个基因基因和环境协同控制的复杂数量性状。目前对产量形成的分子调控机制的认识还非常有限，研究难度很大。

 

研究人员还发现，目前在我国东北和长江中下游地区大面积种植的直立和半直立穗型的高产水稻品种都含有突变的dep1基因，表明dep1基因已在我国水稻增产中发挥了关键作用。水稻DEP1基因的成功分离，为水稻超高产分子育种直接提供了有重要应用价值的新基因，也为揭示中国超级稻产量提升的分子奥秘提供了新线索。

（生物通 小茜）

 

生物通推荐原文检索：Natural variation at the DEP1 locus enhances grain yield in rice

【Abstract】

Grain yield is controlled by quantitative trait loci (QTLs) derived from natural variations in many crop plants. Here we report the molecular characterization of a major rice grain yield QTL that acts through the determination of panicle architecture. The dominant allele at the DEP1 locus is a gain-of-function mutation causing truncation of a phosphatidylethanolamine-binding protein-like domain protein. The effect of this allele is to enhance meristematic activity, resulting in a reduced length of the inflorescence internode, an increased number of grains per panicle and a consequent increase in grain yield. This allele is common to many Chinese high-yielding rice varieties and likely represents a relatively recent introduction into the cultivated rice gene pool. We also show that a functionally equivalent allele is present in the temperate cereals and seems to have arisen before the divergence of the wheat and barley lineages.

 

傅向东

主要研究领域

　1．赤霉素作用的分子机理与信号转导

　　以模式植物拟南芥、水稻来研究赤霉素调控植物生长发育和开花的分子机制及其信号转导途径。目前的研究结果表明赤霉素参与种子萌发，植物生长和开花等发育过程，其信号转导途径的关键成员－DELLA蛋白（GRAS家族蛋白）阻遏植物生长发育。赤霉素促进植物生长发育是通过形成一个SCFSLY1/GID2 E3 Ligase复合体并与DELLA蛋白发生亲和作用，进而通过26S Proteasome蛋白质降解途径特异性降解DELLA蛋白,从而实现 "de-repress". 但赤霉素的信号转导途径，DELLA蛋白的功能，F-box蛋白是如何与底物DELLA蛋白相互作用及其调控的机理仍不清楚。我们实验室目前的主要工作是通过理化因素诱导突变体和基因芯片分析等手段，分离鉴定赤霉素调控植物生长发育和α-淀粉酶活性的相关基因，并利用分子遗传和细胞生物学手段来研究这些基因的功能。利用免疫共沉淀的方法分离蛋白，了解其蛋白本生的修饰及分离与其相互作用的蛋白，使我们进一步了解蛋白作用的分子机理。

　　水稻 "绿色革命"基因（SD1）是赤霉素生物合成途径的一个关键酶, 小麦"绿色革命"基因（RHT）是赤霉素信号转导途径的关键成员－DELLA蛋白本生。利用模式植物对赤霉素调控植物生长发育和开花的研究，目的在于认识分子机理的基础上，建立水稻小麦等农作物改良新的分子育种研究体系。

　　2. 植物激素和环境应答的互作与植物形态建成

　　植物生长发育受植物的内源激素、生长环境和营养的影响。三者共同调控植物的生长发育、形态建成及开花等发育过程。三者间相互作用，尤其是不同信号转导途径间的Cross-talking已被人们意识，但我们对其分子机理的了解还非常不够。我们实验室以拟南芥根发育作为研究对象、分离鉴定与植物激素互作和环境应答相关的突变体。研究不同激素间的互作对植物根生长和发育的调控，及其受或对环境应答的影响，进一步阐明植物激素和环境互作调控植物发育的分子机理。

代表论文

Fu X, Richards DE, Fleck B, Xie D, Burton N, Harberd NP. The Arabidopsis mutant sleepy1gar2-1 protein promotes plant growth

by increasing the affinity of the SCFSLY1 E3 ubiquitin ligase for DELLA protein substrates. Plant Cell. 2004, 16(6):1406-18.

 

Cheng H, Qin L, Lee S, Fu X, Richards DE, Cao D, Luo D, Harberd NP, Peng J. Gibberellin regulates Arabidopsis floral

development via suppression of DELLA protein function. Development. 2004, 131(5):1055-64.

 

Fu X, Harberd NP. Auxin promotes Arabidopsis root growth by modulating gibberellin response.Nature. 2003, 421:740-3.

 

Fu X, Richards DE, Ait-Ali T, Hynes LW, Ougham H, Peng J, Harberd NP. Gibberellin-mediatedproteasome-dependent

degradation of the barley DELLA protein SLN1 repressor. Plant Cell. 2002, 14(12):3191-200.

 

Fu X, Sudhakar D, Peng J, Richards DE, Christou P, Harberd NP. Expression of Arabidopsis GAI in transgenic rice represses

multiple gibberellin responses. Plant Cell. 2001, 13(8):1791-802.

 

Fu X, Duc LT, Fontana S, Bong BB, Tinjuangjun P, Sudhakar D, Twyman RM, Christou P, KohliA. Linear transgene constructs

lacking vector backbone sequences generate low-copy-number transgenic plants with simple integration patterns.

Transgenic Res. 2000, 9(1):11-9.

 

Fu X, Kohli A, Twyman RM, Christou P. Alternative silencing effects involve distinct types of non-spreading cytosine methylation

at a three-gene, single-copy transgenic locus in rice. Mol Gen Genet. 2000, 263(1):106-18.

 

Gahakwa D, Maqbool SB, Fu X, Sudhakar D, Christou P, Kohli A. Transgenic rice as a system to study the stability of transgene

expression: multiple heterologous transgenes show similar behaviour in diverse genetic backgrounds.

Theor Appl Genet. 2000, 101: 388-399.

 

Sudhakar D, Fu X, Stoger E, Williams S, Spence J, Brown DP, Bharathi M, Gatehouse JA, Christou P. Expression and

immunolocalisation of the snowdrop lectin, GNA in transgenic rice plants. Transgenic Res. 1998, 7(5):371-8.

 

Rao KV, Rathore KS, Hodges TK, Fu X, Stoger E, Sudhakar D, Williams S, Christou P, Bharathi M, Bown DP, Powell KS,

Spence J, Gatehouse AM, Gatehouse JA. Expression of snowdrop lectin (GNA) in transgenic rice plants confers resistance to

rice brown planthopper. Plant J. 1998, 15(4):469-77.