水稻稻曲?。≧FS）是由獨特的花器官侵染性真菌病原體引起，已成為全世界水稻生產(chǎn)的一種嚴重病害。該病害不僅會(huì )造成巨大的產(chǎn)量損失（高達40%），還產(chǎn)生各種類(lèi)型的霉菌毒素，污染稻谷，降低稻谷質(zhì)量。近年來(lái)，盡管一些研究推測RFS與水稻花序性狀相關(guān)，特別是與大花序、直立花序以及密集性花序等性狀有關(guān)，但沒(méi)有具體的相關(guān)研究來(lái)進(jìn)一步證明這一猜測。

近日，福建農業(yè)科學(xué)院水稻研究所的研究團隊在《BMC Plant Biology》在線(xiàn)發(fā)表了題為“SPR9 encodes a 60 S ribosomal protein that modulates panicle spreading and affects resistance to false smut in rice (Oryza sativa. L)”的研究論文，介紹了研究團隊基于突變體圖位克隆了一個(gè)調控水稻花序展開(kāi)的新基因SPR9，該基因編碼一個(gè)60S核糖體蛋白，同時(shí)影響水稻稻曲病抗性。該基因在水稻抗稻曲病和穗型改良育種方面有很好應用前景。

為了闡明參與水稻小穗發(fā)育的調控基因，研究團隊篩選并獲得了一個(gè)展開(kāi)穗型的R20-1遺傳背景spr9突變體（圖1a）。將spr9突變體和野生型R20-1之間的表型進(jìn)行比較，株高、穗長(cháng)、有效穗數、穗粒數、結實(shí)率、千粒重、籽粒長(cháng)度和寬度都沒(méi)有顯著(zhù)差異（圖1b-i）。

圖1 spr9突變體和野生型R20-1的表型比較

前人研究提出水稻的穗型與稻曲病抗性有一定的關(guān)系。為了進(jìn)一步比較spr9突變體和R20-1在稻曲病抗性方面是否有差異，研究團隊用人工注射的方式接種了 spr9突變體和R20-1植株。結果表明，spr9突變體的病情指數為3，R20-1的病情指數為4，這說(shuō)明spr9突變體比R20-1的稻曲病抗性更強（圖2a、b）。

圖2 U. virens侵染后spr9突變體和野生型R20-1的病癥表現

研究團隊通過(guò)遺傳模式分析實(shí)驗發(fā)現spr9突變體是隱性核遺傳，且由一個(gè)單基因控制。為了找到spr9突變體的功能基因，研究團隊利用spr9突變體和粳稻栽培品種Hui1586的雜交群體以及253個(gè)SSR多態(tài)性標記，找到了與性狀共分離的5號染色體上的標記RM8211和RM5970，并通過(guò)重組單株鑒定，將候選基因初定位在了標記RM8211和RM597之間，其遺傳距離為16.5 cM（圖3a）。通過(guò)在候選區段內加密分子標記，篩選重組單株進(jìn)行性狀鑒定，研究團隊最終將候選基因定位在了分子標記Indel5-18和Indel5-22之間物理距離為43kb的區段（圖3b-d）。

研究團隊對候選基因區段進(jìn)行基因功能注釋?zhuān)l(fā)現在43kb的區域總共有6個(gè)能夠正常轉錄全長(cháng)cDNA的候選基因（圖3e）。研究團隊比較6個(gè)候選基因在spr9突變體與R20-1野生型的序列結構差異，發(fā)現6個(gè)候選基因中只有LOC_Os05g38520基因有1bp的插入/缺失變異（圖3f），這意味著(zhù)該基因很有可能是SPR9的功能基因，有三個(gè)外顯子和兩個(gè)內含子。

圖3 候選基因的圖位克隆與結構比較

為了確定spr9在粳稻遺傳背景的表現，研究團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯系統敲除了栽培粳稻品種Hui1586中的SPR9基因，總共獲得了三個(gè)獨立的轉基因事件，并通過(guò)測序確定了編輯的有效性（圖4a）。三個(gè)基因編輯株系與spr9突變體的表現一致，均表現出穗型展開(kāi)的性狀（圖4b），且株高、穗長(cháng)、有效穗數、穗粒數、結實(shí)率、千粒重、籽粒長(cháng)度和寬度等農藝性狀差異不顯著(zhù)，這表明Hui1586中SPR9基因的敲除會(huì )導致穗型展開(kāi)的表型，spr9基因是展開(kāi)穗型的spr9突變體的功能基因。

圖4 敲除轉基因單株與spr9突變體性狀一致

為了進(jìn)一步了解SPR9基因的功能，研究團隊利用RT-qPCR技術(shù)檢測水稻不同發(fā)育階段SPR9基因的表達模式。結果顯示，SPR9基因在所有組織中都有表達，包括2/4周齡的根、莖、葉，0.5-1cm、1-3cm、3-5cm、5-10cm長(cháng)的花穗，以及萌發(fā)的種子、成熟的種子和愈傷組織。但SPR9基因主要在萌發(fā)的種子和5-10cm長(cháng)花穗中表達（圖5）。

圖5 SPR9基因的表達模式

為了進(jìn)一步分析SPR9蛋白的定位，研究團隊構建了35S：SPR9-pSuper1300-GFP載體，并轉化至農桿菌GV3101中。注射侵染煙草葉片后三天，用激光共聚焦顯微鏡觀(guān)察SPR9蛋白的亞細胞定位情況。結果顯示SPR9蛋白在定位在細胞核中（圖6）。

圖6 SPR9蛋白的亞細胞定位結果

綜上所述，研究團隊發(fā)現了一個(gè)新型水稻穗型控制基因SPR9，編碼具有核定位信號的核糖體蛋白。CRISPR/Cas9基因敲除實(shí)驗證實(shí)，SPR9基因是spr9突變體的功能基因。重要的是，spr9突變體提高了對RFS的抗性，而不影響主要的農藝性狀，這表明spr9基因在未來(lái)的水稻稻曲病抗性及穗型改良應用中潛力巨大。

—— 參考文獻 ——

He, N., Huang, F., Lu, L. et al. SPR9 encodes a 60 S ribosomal protein that modulates panicle spreading and affects resistance to false smut in rice (Oryza sativa. L)[J]. BMC Plant Biology, 2023, 23, 205.

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分子標記開(kāi)發(fā)與檢測服務(wù)

根據目標DNA/基因序列,可開(kāi)發(fā)高效的分子標記（SNP-KASP、SSR等），并可實(shí)現單日最高一萬(wàn)SSR數據點(diǎn)，以及數以十萬(wàn)計的SNP數據點(diǎn)檢測。應用領(lǐng)域：

分子標記輔助選擇/回交育種服務(wù)

利用分子標記輔助目標基因選擇、背景選擇和去連鎖選擇，針對優(yōu)良自交系的個(gè)別“短板”進(jìn)行“定向”改良，回交不超過(guò)3代，獲得與原自交系一致或高度相似的新材料。應用領(lǐng)域：水稻、玉米、大豆、小麥等作物定向改良。