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水稻粒长、粒宽、粒厚等性状是与产量直接相关的重要性状,也是影响稻米品质的重要性状,这些性状大多属于多基因控制的数量性状。目前定位了许多控制粒型的基因/QTL,但仅克隆了qGL3、GW8、GW8、GW2、GS5、GPF5(qSW5)等基因。虽然这些基因的功能已经初步明确,但这些基因的克隆涉及到珍汕97、明恢63、日本晴、9311、WY3等多个不同遗传背景的材料,关于不同基因在同一遗传背景下作用效应研究的报道较少。水稻粒型基因研究的最终目的是在育种中有效利用这些粒型基因,改良籽粒性状,实现高产目标。因此,进一步挖掘新的粒型基因/QTL,在同一遗传背景下分析比较已克隆基因的效应与互作,显得非常重要。本研究利用自主选育的特大粒粳稻资源TD70和小粒籼稻Kasalath及其杂交构建的240个重组自交系(RIL),剖析特大粒水稻资源TD70粒型性状的遗传特性,开展粒型QTL定位,寻找新的位点;分析特大粒资源TD70中的粒型基因及其作用,并测序比较不同水稻品种粒型基因的序列差异;解析不同粒型基因的效应及其互作,以期为水稻高产分子设计育种奠定基础。主要研究结果如下:1.特大粒水稻粒型性状的遗传及QTL定位2010-2013年,以TD70/Kasalath的240个RIL为材料,对粒型性状进行了QTL定位。RIL群体中粒长、粒宽表现为连续的多峰分布,粒厚表现为连续的单峰分布;粒重呈正态分布,变幅范围在18.8-63.83g之间,主要集中在25-40g之间,峰值在30-35g之间,千粒重超过50g的有16份;粒长、粒宽、粒厚、千粒重均未有超过TD70的表型。4年共检测到22个粒型QTL。其中4年均检测到的区段为RM1347-RM5699、RM109-RM3264、RM6080-RM6832,涉及基因分别为GW2、GW2-1、GS3(qGL3);以RM3777、RM169标记为中心涉及的基因为GS5和GW5;2年检测到的基因为GS7、qGL7和位于RM1328-RM7038区段的qGW9;GW8及qGWT8-1基因所在的RM5545-RM447区段仅在2013年检测到;另有10个QTL仅在一年检测到,其中6个粒厚QTL,1个粒长QTL,3个粒宽QTL,粒宽QTL中qGW2-1和qGW9是值得关注的新位点。2.TD70和Kasalath粒型基因GW2、GS3、qGL3、GS5和GW8的全基因组序列分析TD70和Kasalath的GW2、GS3、qGL3、GS5和GW8基因序列存在较多的差异;TD70的GW2-TD70基因序列与报道的WY3中的GW2-WY3基因序列具有相同的功能突变位点;GS3-TD70基因序列与GS3-Kasalath序列比较,在第2外显子上的编码区+165位置存在一个单核苷酸替换C-A,是GS3基因功能改变的关键突变位点;qGL3-TD70基因序列与qGL3-Kasalath序列比较,在第10外显子上的编码区+1092位置存在一个单核苷酸替换C-A,是qGL3基因功能改变的关键突变位点;GS5-TD70基因序列与GS5-Kasalath序列比较,Kasalath的GS5基因序列在2059bp位置缺失GCGGCG 6个碱基,与报道的窄粒一样,均表现为缺失型;在GW8基因序列上,TD70和Kasalath间均存在关键的功能差异位点。亲本TD70至少含有上述5个克隆基因增效突变基因型,而Kasalath具有相对的正常(减效)功能基因。3.不同水稻品种的GW2、GS3、GS5、GW8、qGL3粒型基因的序列差异以59个不同的粒型的水稻品种和TD70、Kasalath为材料进行上述GW2、GS3、qGL3、GW8、GS5基因的序列差异分析。GS3基因在编码区只有两个SNP位点和1个InDel位点差异,可以分为5种单倍型;GW2基因在所有的外显子和内含子上共存在27个SNP位点和5个InDel位点差异,可分为16种单倍型。GW2-9单倍型的水稻品种数量最多,系统进化树分析显示单倍型GW2-7,8,11,12与GW2-9遗传距离很近,GW2-10与之较近;GS5基因在所有的内含子和外显子上存在5个SNP位点和6个Indel位点差异,分为13种单倍型,GW8基因共发现21个SNP位点和9个Indel位点差异,位于外显子上的有7个SNP和1个Indel,可分为20种单倍型;qGL3基因仅存在8个SNP位点和一个Indel位点差异,可分为6种单倍型,有54个水稻品种拥有相同的单倍型qGL3-2。4.极端粒型水稻的GW2、GS3、GS5粒型基因的cDNA克隆及载体构建TD70和Kasalath中的GW2基因cDNA片段长度分别为1277bp和1278bp,TD70在第316位置缺失一个碱基A,导致TD70的GF2蛋白仅表达115个氨基酸,而Kasalath表达完整的425个氨基酸;TD70和Kasalath中的GS3基因cDNA序列片段长度分别为713bp和696bp,各编码54个氨基酸和231个氨基酸,TD70的GS3序列在165pb发生了由C向A的颠换,导致提前结束了GS3蛋白的表达;TD70和Kasalath中的GS5基因cDNA片段长度分别为1449bp和1443bp,各编码482个氨基酸和480个氨基酸,Kasalath的GS5序列在92pb发生了由G向C的颠换,在第106bp的位置缺失GGCGGC6个碱基。成功构建了正义的GW2-Kasalath、GS3-Kasalath、GS5-Kasalath强表达载体和反义的GW2-TD70、GS3-TD70、GS5-TD70强表达载体,正义的GW2-TD70、GS3--TD70、GS5-TD70强表达载体和反义的GW2-Kasalath、GS3-Kasalath、GS5-Kasalath强表达载体,并导入TD70和Kasalath亲本中,初步筛选出阳性转基因植株。5.不同粒型基因组合的效应分析特大粒水稻TD70的粒型基因qGL3、GF2、GS3、GS5、GW8可以在后代自由组合,且都具有增效作用;RIL株系中含TD70的粒型基因数目越多,其相应的千粒重就越高;5个基因的功能和作用机理与前人报道的一致,其中qGL3、GW2、GS3是主效基因。单个基因的效应表现为qGL3-TD70>GW2-TD70>GS3-TD70>GS5-TD70>GW8-TD70;即使在具有1个或者多个粒型基因的遗传背景下,分析各粒型基因对粒重的作用,上述基因效应的大小顺序仍然不变;无主效功能基因存在时,正向调控基因GS5和GW8对粒宽和粒重的作用较弱;获得不同的粒重,可通过聚合不同粒型基因数目来实现,粒重在30g以下时,可选择聚合1-2个功能基因;粒重在30-35g之间,可选择聚合2-4个功能基因;超过35g时,必须聚合3-5个功能基因。