水稻粒形是衡量稻米外觀品質(zhì)的主要指標(biāo),同時也是影響水稻產(chǎn)量性狀的重要因素之一,因此成為重要的水稻育種農(nóng)藝性狀。不同消費者對于谷物形狀的偏好也有很大不同。大多數(shù)亞洲國家喜歡細長的谷粒以及米粒,包括中國的南方、印度、泰國和巴基斯坦等國,而中國的北方、日本和韓國等國卻喜歡短粒的品種。我國的水稻分秈、粳兩個亞種,粳稻主要分布在北方稻區(qū)以及南方長江流域稻區(qū)的晚稻,粒形均為短圓狀;秈稻主要分布在南方稻區(qū),中晚稻均為長粒形。近年來隨著稻米市場的開放,對優(yōu)質(zhì)米的要求不僅要求口味適合,而且要求外形美觀。因此,如何改良稻米的外觀品質(zhì),提高稻米的商品價值,成為育種家和稻米生產(chǎn)企業(yè)的共同目標(biāo)。
與絕大多數(shù)圓粒粳稻不同的是,美國長粒粳稻米粒細長有光澤,對其粒形調(diào)控基因的克隆和功能研究有助于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種的培育。研究團隊通過精細定位將美國長粒粳稻攜帶的粒長調(diào)控基因——GL7基因位點定位在水稻7號染色體上一個20.4kb的區(qū)間內(nèi)(該區(qū)間包含兩個基因)。進一步的遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn),在大多數(shù)美國長粒粳稻品種中,GL7位點發(fā)生了17.1kb的DNA 大片段串聯(lián)重復(fù),這一基因組結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了GL7基因表達量的上升,同時還引起了其臨近的負調(diào)控因子表達的下調(diào),引起粒長增加,堊白度和堊白率降低,從而顯著改善稻米外觀品質(zhì),揭示了美國長粒粳稻粒長復(fù)雜而精確的遺傳調(diào)控機制。
對普通粳稻與秈稻的比較研究發(fā)現(xiàn),在粳稻中與GL7臨近的負調(diào)控因子能夠抑制GL7的表達,而在秈稻中GL7臨近的負調(diào)控因子功能喪失,對GL7表達的抑制減弱。轉(zhuǎn)基因研究結(jié)果顯示,過表達GL7基因在秈稻中出現(xiàn)了比粳稻中更為明顯的表型。將美國長粒粳稻GL7基因位點通過分子標(biāo)記導(dǎo)入普通水稻品種中可以顯著改善稻米外觀品質(zhì)而不影響產(chǎn)量。
通過對96個品種的序列分析證實,GL7及其負調(diào)控因子位點的變異影響水稻粒形的多樣性。進一步對GL7及其他粒形調(diào)控基因的基因型與水稻粒長的相關(guān)性分析揭示了水稻粒形調(diào)控基因間的遺傳相互作用。有趣的是,研究發(fā)現(xiàn)美國長粒粳稻品種曾被引入日本,但是通過遺傳交換丟失該區(qū)域17.1kb 的串聯(lián)重復(fù)序列的品種(如關(guān)東146等)表現(xiàn)出短圓粒的表型,而我國廣東的優(yōu)質(zhì)秈稻品種(粵豐等)品質(zhì)好的重要原因是由于其同時聚合了GL7和GS3優(yōu)勢位點。這一結(jié)果揭示了調(diào)控水稻重要農(nóng)藝性狀的基因拷貝數(shù)變異如何在育種過程中被選擇和利用提供了重要例證。