水稻空育131粒形位点GS3改良与杂交不育位点的深度挖掘及应用.docxVIP

水稻空育131粒形位点GS3改良与杂交不育位点的深度挖掘及应用

一、引言

1.1研究背景与意义

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，是全球近一半人口的主食，在我国这一比例更是超过了65%，其产量和品质直接关系到国家粮食安全和人类生存发展。随着人口增长和经济发展，对水稻的需求不断提升，给水稻生产带来了前所未有的挑战，提高水稻产量与品质对保障国计民生和粮食安全具有重大战略意义。

空育131是由日本北海道农业试验场一分场选育而成的粳型常规水稻品种，具有株型紧凑、剑叶挺直、分蘖力强、耐肥抗倒、抗稻瘟病和纹枯病、熟期较早以及落粒性中等的特点。在适宜的气候条件下，空育131表现出良好的生长发育特性，其生育期一般在5月中下旬播种，9月下旬成熟，全生育期约120-130天，产量较高，一般亩产在500-600公斤左右，米质优良，稻谷形状整齐，颗粒饱满，米粒透明度高，口感柔软，饭味清香，是优质的粳米品种之一，在水稻生产中具有重要应用价值。然而，空育131在粒形方面存在一定局限性，其粒型等性状影响了进一步的产量提升和市场竞争力。比如在一些对长粒米需求较大的市场中，空育131的短粒形限制了其推广和应用。

粒形是影响水稻产量和品质的重要性状之一，粒长、粒宽、粒厚等因素决定了籽粒大小，进而影响粒重，与水稻产量密切相关。GS3基因作为水稻第一个被克隆的粒型基因，主要调控籽粒的粒长和粒重，对其进行改良有望优化空育131的粒形，提高产量和品质，满足市场对不同粒形水稻的需求。例如，通过对GS3基因的调控，可能使空育131的粒长增加，从而提高粒重，增加产量，同时改善外观品质，提升市场价值。

此外，水稻杂种优势利用是大幅提高粮食产量的重要途径，然而籼稻和粳稻之间存在严重的生殖隔离，常表现出杂种不育现象，成为阻碍杂种优势利用的最大障碍之一。空育131作为粳稻品种，挖掘其杂交不育位点，对于揭示水稻杂种不育机制，克服生殖隔离，利用亚种间杂种优势培育高产品种具有重要意义。若能明确空育131的杂交不育位点，就可以通过分子标记辅助选择等手段规避花粉败育问题，推进水稻亚种间超强优势利用和高产品种的培育，进一步提高水稻产量，保障粮食安全。

1.2国内外研究现状

1.2.1水稻粒形位点GS3研究进展

GS3基因最早由Fan等利用小粒品种Chuan7和大粒品种Minghui63构建近等基因系群体首次克隆得到，其编码一个由232个氨基酸组成的跨膜蛋白，包含N端的植物特有的调节器官大小的结构域OSR（Organsizeregulation）和C端的Cys-rich结构域。研究表明，GS3基因主要存在4种自然变异类型，分别为GS3-1至GS3-4。其中，GS3-1编码全长GS3蛋白，籽粒大小表现为中等长度，代表品种为Zhenshan97；GS3-2基因在3末端插入3bp，导致编码的蛋白质插入1个氨基酸，籽粒大小也表现为中等长度，代表品种为Nipponbare；GS3-3编码的第55位半胱氨酸的密码子TGC突变成终止密码子TGA，造成蛋白翻译提前终止（缺失了178个氨基酸），从而造成N端的OSR结构域残缺、C端的Cys-rich结构域完全缺失，粒长明显变长，代表品种为Minghui63；GS3-4在起始密码子下游357bp处缺失1bp，导致移码，仅正确编码N端的OSR结构域，籽粒表现为非常短，代表品种为Chuan7。这些遗传证据表明GS3负调控籽粒大小，并且OSR结构域是GS3负调控籽粒大小的充分条件。

近年来，关于GS3基因的研究不断深入。有研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在DNA序列两侧设计靶点删除大片段序列，创制出仅编码C端Cys-rich功能结构域的突变类型gs3-5，并获得纯合突变株系，发现与受体背景中花11相比，gs3-5纯合突变株系表现为粒长和千粒重增加，进一步解析了OSR结构域对籽粒大小的调控作用。在不同水稻品种中，GS3基因的变异情况不同，对粒形的影响也存在差异。在一些长粒品种中，GS3基因的特定变异导致其功能改变，使得粒长增加；而在短粒品种中，GS3基因的不同变异则限制了粒长的发育。

然而，目前针对空育131中GS3基因的研究相对较少。虽然空育131在农业生产中广泛种植，但其粒形相关的遗传机制尚未得到充分解析。对于空育131中GS3基因的具体序列、变异类型以及其如何调控粒形等方面的研究还存在空白，这限制了对空育131粒形性状的改良和优化。

1.2.2水稻杂