水稻是重要的粮食作物,世界上一半以上的人口以稻米为主食。稻米产量主要由每株穗数、每穗粒数和千粒重三大要素决定。高产品种的选育实质是对有利于这三要素的基因位点的选择以及改造的过程。本研究以水稻宽粒和直立穗突变体fuwa为材料,利用图位克隆的方法分离并鉴定了一个水稻粒型和穗型的关键调控因子FUWA,并对该基因的功能和进化历史进行了相关分析,主要研究结果如下:1、与野生型相比,fuwa突变体株型更加直立,株高略矮,分蘖略有减少,茎秆强度高。突变体穗部性状表现更加紧凑而直立,其中一次枝梗数不变,二次枝梗数有所减少,穗粒数降低。突变的籽粒表现更宽厚,长度略有减少,灌浆速率明显加快,千粒重显著增加。2、遗传分析表明fuwa突变体表型受隐性单基因控制。FUWA初定位于第2号染色体短臂端,随后被精细定位在标记IN3与DC1之间68-kb的区间范围。该区间包含6个开放阅读框,测序比对分析发现突变体中候选基因LOC_Os02g13950的第7个外显子插入一个单碱基A,导致翻译提前终止,突变蛋白缺失C端120个氨基酸。利用包含该基因自身启动子的9.3-kb的片段能将突变表型互补。3、FUWA基因包含7个外显子,编码492个氨基酸。对氨基酸序列分析结果发现N端存在一个信号肽,中部存在一个跨膜结构。FUWA-GFP融合蛋白在水稻原生质体中能与高尔基体的Marker基因高度重合,表明FUWA蛋白主要定位在高尔基体中。实时定量PCR和GUS染色分析结果表明FUWA在水稻各组织中都有表达,呈现组成型表达模式,其中在穗部的表达量最高。原位杂交实验进一步表明,FUWA主要在根原基、叶原基、顶端分生组织原基、一次枝梗原基、二次枝梗原基、花原基等各组织的原基部位表达。4、FUWA基因的突变影响植株的细胞分裂。电镜扫描结果显示突变体有更多的表皮细胞。对颖壳的横向石蜡切片结果显示,突变体颖壳薄壁细胞层周长和细胞数目与野生型相比都显著增加。流式细胞分析表明,与野生型相比,突变体有更少的细胞停留在有丝分裂G1期,而更多的细胞进入有丝分裂S期和G2/M期,相对应的调控S期与G2/M的细胞周期相关蛋白和激酶的表达水平在突变体里也显著提高。这些结果表明FUWA通过调节植物的细胞周期进而影响各组织的生长发育。5、对125份来自16个不同地区水稻品种的FUWA编码区的测序和遗传多样性分析结果表明,FUWA基因在这些资源中高度保守。普通野生稻中一共存在13个氨基酸单倍型,受瓶颈效应影响,栽培中只包含一种单倍型。普通野生稻中其他12种单倍型以及玉米高粱中的FUWA同源基因都可以恢复fuwa突变体的表型,表明该基因在水稻的进化和育种乃至禾本科作物的进化过程中都没有受自然或人工的选择。6、利用RNA干扰的方法降低了籼稻品种Kasalash和粳稻品种日本晴中FUWA的表达水平,结果发现,两个亚种的干扰植株都产生类似突变体的籽粒变宽、粒重增大和穗部相对直立的表型,表明通过对FUWA位点的改造对水稻的农艺性状的改良和育种存在潜在的应用价值。