水稻是重要的粮食作物之一,为世界一半以上的人口提供食物和营养来源,提高水稻产量也一直是育种家最重要的研究目标之一。我国水稻高产育种技术经历了两次革命性飞跃,一是矮秆基因sd1的利用,降低了株高,提高了单产;二是成功利用细胞质雄性不育基因,实现了杂交水稻的三系配套,有效利用了水稻杂种优势。虽然杂种优势在作物中已经被广泛利用,为解决粮食问题作出了重要贡献,但是它的遗传机制仍不清楚。近年来,随着水稻分子生物学的发展,水稻育种已经从传统育种转向传统育种与现代分子技术相结合,特别是CRISPR/Cas9技术的不断完善,对目标基因进行定点编辑进而提高水稻单产已经成为可能,水稻产量性状调控基因的挖掘就显得尤为重要。本研究的工作主要包括以下两个方面:一、基于CSSLs的水稻产量性状杂种优势遗传基础解析我们利用一套重测序的128个水稻染色体片段代换系分别和水稻光温敏雄性核不育系广占63-4s、036s和连99s杂交,构建了 4套测交系群体,分别命名为TC1-TC 4(TC1:广占 63-4s×CSSLs,2009 年;TC2:广占 63-4s×CSSLs,2011 年;TC3:036s×CSSLs,2015年;TC4:连99s×CSSLs,2015年)。多年间对各农艺性状进行考察,结合染色体片段代换系的分子信息,对水稻杂种优势遗传机制展开研究,并得到了如下的结果:1、在TC1中,除了结实率和千粒重之外,其余性状均值都高于CSSLs的均值;2011年TC 2群体中,穗长、单株有效穗数和单株产量的均值表现要优于CSSLs的均值表现;TC 3与CSSLs的7个性状均值比较发现,TC 3的穗长和单株有效穗数平均值高于CSSLs的平均值;TC4的穗长、单株有效穗数、穗粒数和单株产量的均值都高于CSSLs。以上结果表明不同的不育系一般配合力不同,而广占63-4s和连99s一般配合力较高。2、我们对CSSLs与4个TCs的7个相对性状进行相关性分析,除了单株有效穗数和结实率之外,其余性状在CSSLs和TCs之间存在较高的相关性,因此选择优良的恢复系对于培育优良杂交组合至关重要。3、根据128个染色体片段代换系及受体亲本9311的性状表型值,结合Bin-map,基于多元回归分析方法,在2009年、2011年和2015共定位到62个产量相关性状QTL,根据测交系及对照组合的性状表型值,计算杂种优势值,共定位到97个产量相关性状HL,这些杂种优势位点都被准确的定位在染色体的具体区段上,且形成了 4个杂种优势位点簇。4、对测交系各个性状进行了遗传分析。结果表明,株高、穗长、单株产量和千粒重的广义遗传率较高分别是79.85%,51.22%,76.75%和75.50%,均超过了 50%。表明在杂种中,这些性状的变异,遗传的作用是主要的。单株穗数的广义遗传率最低,为21.47%,表明该性状极易受环境的影响。株高、穗长、结实率、单株产量和千粒重这5个性状表现为部分显性,每穗粒数表现为超显性。二、精胺合成酶基因OsSPMS1的功能分析多胺是一类广泛存在于生物体内的小分子脂肪族含氮碱,具有极强的生物活性。高等植物体中常见的多胺主要包括:腐胺(Putrescine,Put)、亚精胺(Spermidine,Spd)和精胺(Spermine,Spm)等,它们参与调控体内的诸多生物学过程。本研究以精胺合成酶基因OsSPMS1(LOC_Os06g33710)为研究对象,通过构建RNAi和过表达载体,导入粳稻品种日本晴,获得了多个稳定遗传的株系,并从中选择了两个稳定的纯合RNAi株系(命名为RNAi1和RNAi2),以及两个稳定的纯合过量表达株系(命名为OE1和OE2)。以此为材料,通过分子遗传学、植物生理学和组织形态学等研究手段,解析了该基因在水稻株型和产量调控中的作用。主要结果如下:1、生物信息学分析表明,OsSPMS1基因含有Spermine_synth结构域,其同源基因在绿色植物基因组中广泛存在。2、OsSPMS1基因的表达分析表明,该基因为组成型表达,在叶、节、叶鞘、根、茎和穗中都有表达,其中叶片中表达量最高,穗中表达量最低,并且随着穗发育进程表达量呈现先升高后下降的趋势。启动子-GUS染色结果基本与qRT-PCR分析结果一致。对OsSPMS1蛋白亚细胞定位结果表明,其主要位于细胞质和细胞核中。3、在2016年和2017年,我们调查了野生型、RNAi和过量表达转基因株系的各农艺性状。结果表明,OsSPMS1影响多个农艺性状,过量表达该基因导致株高降低,粒重减轻,每穗粒数减少,最终导致单株产量降低;相反,RNAi转基因株系株高变高,粒重增加,每穗粒数增多,单株产量显著提高。2016年,与野生型相比,RNAi1和RNAi2的单株产量分别增加了 16.47%和19.54%;2017年分别增加了 16.84%和21.16%。4、对野生型和转基因株系倒二节间组织切片分析发现,OsSPMS1表达量上调,细胞变小,导致茎秆变短变细;OsSPMS1表达量下调,细胞面积变大,使茎秆变长增粗。通过扫描电镜观察野生型和转基因植株颖壳内外稃表皮细胞发现,RNAi1和RNAi2籽粒内外稃表皮细胞面积显著变大,而OE1和OE2的细胞面积显著变小。转基因植株内颖壳外稃的细胞数目与野生型无显著差异。因此,OsSPMS1负调控细胞大小。5、测量了抽穗期野生型、RNAi和OE转基因株系的内源多胺含量。结果表明,与野生型相比,RNAi1和RNAi2中Spd含量显著增高,分别增加了 6.28%和20.17%;OE中Spd含量与野生型相比,分别下降了 67.99%和70.33%。因此,我们推测OsSPMS1是一个精胺合成酶,可以将氨丙基转移给Spd合成Spm。同时利用酵母双杂交技术,我们发现OsSPMS1可以与水稻中另外一个同源蛋白OsSPMS2互作。6、OsSPMS1过量表达后使籽粒萌发受到抑制,但是施加外源Spd并不能恢复其萌发率。降低OsSPMS1的表达可以提高内源乙烯的含量,而过量表达OsSPMS1减少了内源乙烯含量,利用乙烯的合成前体SAM和ACC处理过表达籽粒可以恢复其萌发率。说明,野生型和转基因籽粒萌发上的差异是由内源乙烯含量不同导致。由于乙烯含量的差异导致了转基因籽粒的萌发率改变,而该基因又可以负调控籽粒大小进而影响水稻单株产量,我们提出了OsSPMS 介导的乙烯和多胺合成通路调控水稻株型和产量的工作模型。7、在高产品种苏垦118(SK118)背景下,利用CRISPR/Cas9系统获得了两个OsSPMS1基因的的纯合突变体,分别为osspms1#1和osspms1#2,也表现为株高变高,粒重增加,单株产量分别提高了 14.39%和13.08%,说明OsSPMS1基因可以在高产品种中进一步提高产量,是水稻产量性状改良的重要靶点。