华中农业大学院士课题组最新PNAS文章

　　

生物通报道：来自华中农业大学生命科学技术学院，作物遗传改良国家重点实验室等处的研究人员证实了水稻中GS3基因控制水稻籽粒大小，并发现了该基因中控制籽粒大小的关键区域，命名为OSR。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

领导这一研究的是华中农业大学张启发院士，张启发院士早年毕业于华中农学院，1985年获美国加利福尼亚大学戴维斯分校博士学位。主要从事分子遗传学和基因工程研究，曾系统分析了世界大麦遗传多样性，揭示了世界大麦遗传变异的一些重要特点，阐述了世界栽培大麦东、西方独立起源的观点。

(稻香)谷粒大小不仅是决定水稻产量的要素之一，还对谷粒的外观品质有着重要影响。由于谷粒大小是水稻生产中的重要性状，张启发课题组从1997年就开始了对控制水稻粒形基因GS3的研究，直到2006年找到这个基因，历时9年。在此基础之上，该组近年来对该基因的功能做了深入的研究，证实了GS3是调控谷粒大小的主要基因，揭示了基因所编码蛋白的结构与功能之间的关系。

这项最新研究在谷粒大小和粒型的调控研究方面取得重大进展。研究人员不仅发现该基因编码的蛋白存在相互对抗的前后两个部分，而且还提出通过对该基因的导入和替换，能有效地改变水稻品种的粒型，表明GS3对水稻的产量和品质有重要的决定作用，是粒型的变异和演化的主要决定因子之一。

在这篇文章中，研究人员发现该基因编码的蛋白存在相互对抗的前后两个部分，GS3蛋白内首尾两部分之间的“博弈”最终决定籽粒的大小。没有GS3蛋白(或该蛋白无功能)的品种的稻谷为长粒型(长度约10毫米)，含有完整GS3蛋白的水稻品种粒型中等(约8毫米)，而只有OSR的水稻品种的谷粒为短粒(约6毫米)。

研究还发现，几乎所有的优良粳稻品种都带有完整的GS3蛋白，表现为中等粒型，优良长粒型籼稻品种的GS3蛋白无功能，通过对该基因的导入和替换，能有效地改变水稻品种的粒型，表明GS3对水稻的产量和品质有重要的决定作用，是粒型的变异和演化的主要决定因子之一。

在其他物种中，包括玉米，大麦，大豆等中，研究人员也发现了GS3同源的基因，并且OSR在这些同源基因中都存在，说明这些基因有可能也控制着相应物种种子大小。因此该研究成果在品种改良中将有着重大应用前景，首先该基因变异可作为分子标记直接应用于水稻籽粒大小的选育，提高水稻的产量；其次，根据水稻的研究信息，可以对其他物种的GS3同源基因进行克隆，从而指导相应物种的品种改良。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice
Hailiang Maoa, Shengyuan Suna, Jialing Yaob, Chongrong Wanga, Sibin Yua, Caiguo Xua, Xianghua Lia, and Qifa Zhanga,1

Grain yield in many cereal crops is largely determined by grain size. Here we report the genetic and molecular characterization of GS3, a major quantitative trait locus for grain size. It functions as a negative regulator of grain size and organ size. The wild-type isoform is composed of four putative domains: a plant-specific organ size regulation (OSR) domain in the N terminus, a transmembrane domain, a tumor necrosis factor receptor/nerve growth factor receptor (TNFR/NGFR) family cysteine-rich domain, and a von Willebrand factor type C (VWFC) in the C terminus. These domains function differentially in grain size regulation. The OSR domain is both necessary and sufficient for functioning as a negative regulator. The wild-type allele corresponds to medium grain. Loss of function of OSR results in long grain. The C-terminal TNFR/NGFR and VWFC domains show an inhibitory effect on the OSR function; loss-of-function mutations of these domains produced very short grain. This study linked the functional domains of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice.

作者简介：

张启发
男，1953年12月出生,湖北公安人。博士，教授、博士生导师。现任华中农业大学生命科学技术学院院长。中国科学院院士。1976年毕业于华中农学院，1985年获美国加利福尼亚大学戴维斯分校博士学位，1985-1986: Post-doctoral fellow, University of California, Davis, California, USA，1999年当选为中国科学院院士。2007年当选美国国家科学院外籍院士。

社会兼职：

中国科学技术协会副主席
第三世界科学院院士
美国国家科学院外籍院士
华中农业大学农学系作物遗传育种学科****特聘教授
生命科学技术学院院长
作物遗传改良国家重点实验室主任
美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学兼职教授
美国麦克耐特基金会植物学国际合作计划专家委员会委员
美国洛克菲勒基金会水稻生物技术国际合作计划科学顾问委员会委员
教育部“****奖励计划”首批特聘教授
国家重点基础研究发展规划“973”项目的首席科学家
亚洲水稻生物技术合作网络指导委员会主席

研究领域和学术专长：主要从事分子遗传学和基因工程研究。
近年的主要研究方向为作物改良的分子遗传学，研究领域包括植物基因组分析、重要基因的分离克隆、杂种优势的遗传和分子基础、作物品种资源的分子评估及应用分子生物学技术进行作物改良等。植物遗传和分子生物学家。
张启发院士从事农业教学科研工作26年来，主持承担了“863”计划、国家自然科学基金、农业部、教育部、中国水稻基因组研究计划、美国洛克菲勒基金会水稻生物技术项目等二十余项重大（点）研究项目。
2001年10月30日，在国家科技教育领导小组所举办的领导人科技知识讲座中，张启发以“基因科技知识”为题给朱镕基、李岚清等数位领导人上课。

“政府批准上市的转基因食品绝对安全”
张启发院士在2006年中国科协年会大会上称，政府批准上市的转基因食品绝对安全。
近年来，转基因作物的安全性已成为公众关心的焦点之一。张启发认为：现已批准商品化生产的基因生物生产的食品，都是安全的。
张启发说，转基因农作物的安全性与管理，已经推广了十一年，至今还没有关于转基因食品不安全的任何证据，这是很不容易的。要是打农药死了一个人，谁都不会问你，但是吃转基因有一个人今天不舒服了，《纽约时报》头版头条就会出来，所以得到这么一个结论是非常不容易的。

近五年来取得的主要科研成果：
1、应用多种分子标记系统研究了世界大麦遗传多样性，揭示了世界大麦遗传变异的一些重要特点，阐述了世界栽培大麦东、西方独立起源的观点；对作物品种资源的保护利用和起源进化研究有重要意义。国际科学基金会对此给予了高度评价。
2、在国际上率先并较系统地应用分子标记进行了水稻杂种优势的研究。系统分析了杂种优势与分子标记杂合度的关系；剖析了杂种优势的遗传基础，揭示出大量的上位性遗传效应，提出了上位性是杂种优势的重要遗传基础的学术观点，研究结果在《美国国家科学院院刊》发表和国际学术会议大会报告后，受到高度评价；分析了杂种优势与基因表达和DNA甲基化的关系，初步揭示了杂种和亲本在不同生长发育阶段基因特异表达的主要形式。研究结果对水稻杂种优势的预测和杂交稻的改良有重要意义。
3、深入开展了水稻基因组研究。制作了高密度分子标记连锁图，应用分子标记定位了20余个水稻重要主效基因和大量数量性状基因。正在分离克隆水稻抗白叶枯病、广亲和、光敏核不育3个重要基因。这些基因的成功克隆将对我国乃至世界的水稻遗传改良具有重要意义。
4、注重应用分子技术于水稻改良。应用分子标记辅助选择和转基因技术开展了水稻品种改良的研究，已培育出：优良恢复系“明恢63”抗白叶枯病改良版，开始示范推广；直链淀粉含量降低，可用于杂交稻米质改良的“珍汕97”和“特青”；延缓叶片衰老、产量潜力显著提高的转基因株系。