水稻(dao)稻(dao)曲病(bing)(bing)(bing)（RFS）是由獨(du)特的(de)花器官侵(qin)染性真菌病(bing)(bing)(bing)原體(ti)引起，已(yi)成為(wei)全(quan)世界水稻(dao)生產的(de)一種(zhong)嚴重病(bing)(bing)(bing)害(hai)。該病(bing)害不僅會造成巨大(da)的產量損失（高達40%），還產生各種類型的霉(mei)菌毒素(su)，污染稻谷，降低稻谷質(zhi)量。近(jin)年來，盡管(guan)一(yi)些研究推測RFS與水稻花(hua)序(xu)(xu)性(xing)狀(zhuang)相(xiang)關(guan)，特別是與大(da)花(hua)序(xu)(xu)、直(zhi)立花(hua)序(xu)(xu)以及密集性(xing)花(hua)序(xu)(xu)等性(xing)狀(zhuang)有(you)關(guan)，但沒(mei)有(you)具體(ti)的相(xiang)關(guan)研究(jiu)來進一(yi)步證(zheng)明這一(yi)猜(cai)測。
近日，福建農業科學院水稻研究所的研究團隊在《BMC Plant Biology》在線發表了題為“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調控水稻花序展開的新基因SPR9，該基因編碼一個60S核糖體蛋白，同時影響水稻稻曲病抗性。該基因(yin)在水稻抗稻曲病和(he)穗型改(gai)良育種方面(mian)有很好應用前景(jing)。
為了闡明參與水稻小穗發育的調控基因(yin)，研究團隊篩選(xuan)并獲(huo)得了一個展開穗(sui)型的R20-1遺傳背景spr9突變體（圖1a）。將spr9突變體和野(ye)生(sheng)型R20-1之間(jian)的表型進行比較，株高、穗(sui)長、有效穗(sui)數(shu)、穗(sui)粒數(shu)、結實率、千粒重(zhong)、籽(zi)粒長度和寬度都沒有顯著差(cha)異（圖(tu)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系。為了進一步比較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
研究團隊通過遺傳模式分析實驗(yan)發現spr9突變體是隱性核遺傳，且由一個單基因控制。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SSR多態性標記，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）。通過在候選區段內加密分子標記，篩選重組單株進行性狀鑒定，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行基因功能注釋，發現在43kb的區域總共有6個能夠正常轉錄全長cDNA的候選基因（圖3e）。研究團隊比較6個候選基因在spr9突變體與R20-1野生型的序列結構差異，發現6個候選基因中只有LOC_Os05g38520基因有1bp的插入/缺失變異（圖3f），這意味著該基因很有可能是SPR9的功能基因，有三個外顯子和兩個內含子。
圖3 候選基因(yin)的圖位克隆(long)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，總共獲得了三個獨立的轉基因事件，并通過測序確定了編輯的有效性（圖4a）。三個基因編輯株系與spr9突變體的表現一致，均表現出穗型展開的性狀（圖4b），且株高、穗長、有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重、籽粒長度和寬度等農藝性狀差異不顯著，這表明Hui1586中SPR9基因的敲除會導致穗型展開的表型，spr9基因是展開穗型的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
為了進一步了解SPR9基因的功能，研究團隊利用RT-qPCR技術檢測水稻不同發育階段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長的花穗，以及萌發的種子、成熟的種子和愈傷組織。但SPR9基因主要在萌發的種子和5-10cm長花穗中表達（圖5）。
圖5 SPR9基因的表達模式
為了進一步分析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察SPR9蛋白的亞細胞定位情況。結果顯示SPR9蛋白在(zai)定位(wei)在(zai)細胞核中（圖6）。
圖6 SPR9蛋白的(de)亞細胞定位結果
綜上所述，研究團隊發現了一個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基因敲除實驗證實，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基因在未來的水稻稻曲病抗性及穗型改良應用中潛力巨大。
—— 參考(kao)文獻(xian) ——
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(ji)開發與檢(jian)測服務
根據目標DNA/基因(yin)序列,可(ke)開(kai)發(fa)高(gao)效(xiao)的(de)分子標記(ji)（SNP-KASP、SSR等），并可(ke)實現單日(ri)最高(gao)一萬SSR數據點，以及(ji)數以十萬計(ji)的(de)SNP數據點檢測。應用領域：
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品種真實性鑒定 | ● 基因精細定位 |
| ● 玉米、大豆(dou)、水稻等作物(wu)品種一致(zhi)性檢測 | ● 種質資源(yuan)分(fen)析 |
| ● 玉米、大豆、水稻(dao)等作物品種純度檢測 | ● 分子標(biao)記輔助育(yu)種(zhong) |
分子標記輔助選(xuan)擇(ze)/回交育種服務
利(li)用(yong)分子標記(ji)輔助目標基(ji)因選擇(ze)(ze)、背景選擇(ze)(ze)和去連鎖選擇(ze)(ze)，針對(dui)優(you)良(liang)自交系的(de)個別(bie)“短板”進行“定向(xiang)”改良(liang)，回交不超過3代，獲得與原自交系一(yi)致或高(gao)度相似的(de)新(xin)材料(liao)。應(ying)用領域：水稻、玉米、大豆、小麥等作物(wu)定向改良。