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The RING E3 ligase CLG1 targets gs3 for degradation via the endosome pathway to determine grain size in rice

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Molecular Plant 2021年第10期14卷 1699-1713页

作者： Wensi Yang Kun Wu Bo Wang Huanhuan Liu Siyi Guo Xiaoyu Guo Wei Luo Shengyuan Sun Yidan Ouyang Xiangdong Fu Kang Chong Qifa Zhang Yunyuan Xu Key Laboratory of Plant Molecular Physiology Institute of BotanyChinese Academy of SciencesBeijing 100093China National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and National Centre of Plant Gene Research(Wuhan) Huazhong Agricultural UniversityWuhan 430070China National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and National Centre of Plant Gene Research(Wuhan) Hubei Hongshan LaboratoryHuazhong Agricultural UniversityWuhan 430070China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China The State Key Laboratory of Plant Cell and Chromosome Engineering Institute of Genetics and Developmental BiologyChinese Academy of SciencesBeijing 100101China Innovation Academy for Seed Design CASBeijing 100101China

G-protein signaling and ubiquitin-dependent degradation are both involved in grain development in rice,but how these pathways are coordinated in regulating this process is ***,we show that Chang Li Geng 1(CLG1),which encodes an E3 ligase,regulates grain size by targeting the Gγprotein gs3,a negative regulator of grain length,for *** of CLG1 led to increased grain length,while overexpression of mutated CLG1 with changes in three conserved amino acids decreased grain *** found that CLG1 physically interacts with and ubiquitinats gs3which is subsequently degraded through the endosome degradation pathway,leading to increased grain ***,we identified a critical SNP in the exon 3 of CLG1 that is significantly associated with grain size variation in a core collection of cultivated *** SNP results in an amino acid substitution from Arg to Ser at position 163 of CLG1 that enhances the E3 ligase activity of CLG1 and thus increases rice grain *** the expression level of CLG1 and the SNP CLG1163S may be useful variations for manipulating grain size in rice.

关键词： grain size CLG1 gs3 E3 ligase endosome

利用CRISPR/Cas9技术编辑粒长基因gs3改善粳稻花时

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中国水稻科学 2018年第2期32卷 119-127页

作者：孟帅徐鹏张迎信王宏曹立勇程式华沈希宏中国水稻研究所/浙江省超级稻研究重点实验室/水稻生物学国家重点实验室杭州311401

【目的】花时不遇是影响杂交水稻制种产量的直接因素之一,已有研究表明水稻粒型差异对花时有影响。本研究采用gs3功能缺失突变来研究粳稻花时差异,以期为粒型影响花时提供佐证。【方法】利用CRISPR/Cas9技术来定向编辑控制粒长基因gs3,... 详细信息

【目的】花时不遇是影响杂交水稻制种产量的直接因素之一,已有研究表明水稻粒型差异对花时有影响。本研究采用gs3功能缺失突变来研究粳稻花时差异,以期为粒型影响花时提供佐证。【方法】利用CRISPR/Cas9技术来定向编辑控制粒长基因gs3,获得13对粒型差异的近等基因系粳稻,小区种植,采用目测法来调查花时。【结果】获得转基因T0植株并对其T1植株测序分析,发现长白25、吉粳102、浙粳88、武运粳27和J42均发生单碱基插入移码突变,垦鉴稻6号、空育131、浙粳22、扬粳4227、南粳9108、J5933、J6167和J5938均发生部分碱基缺失突变。对T1植株粒型考查表明,gs3突变体的粒长均显著长于野生型。对稳定的后代花时统计分析发现,粒型变长的突变体均比野生型花时有所提前,且吉粳102、空育131、浙粳88、武运粳27、扬粳4227这5个材料的gs3突变体花时均显著早于野生型,其余材料开花也提早,但不显著。【结论】长粒型粳稻gs3突变体的花时早于短粒粳稻野生型,这一研究可为粳稻粒型育种提供参考,加速长粒粳稻亲本选育,有望推动杂交粳稻发展。

关键词：粳稻花时 CRISPR/Cas9 gs3

缺失OSR结构域功能的gs3蛋白正向调控水稻籽粒大小

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植物遗传资源学报 2023年第4期24卷 1133-1140页

作者：谷玉娟梁大安郝天琪高倩刘磊淮阴师范学院生命科学学院江苏淮安223300

水稻种子粒型是影响产量的重要因素。gs3基因是水稻第一个被克隆的粒型基因,主要调控籽粒的粒长和粒重。gs3蛋白包含N端的OSR(Organ size regulation)和C端的Cys-rich功能结构域。gs3基因主要存在4种自然变异类型,分别为gs3-1至gs3-4。... 详细信息

水稻种子粒型是影响产量的重要因素。gs3基因是水稻第一个被克隆的粒型基因,主要调控籽粒的粒长和粒重。gs3蛋白包含N端的OSR(Organ size regulation)和C端的Cys-rich功能结构域。gs3基因主要存在4种自然变异类型,分别为gs3-1至gs3-4。其中,gs3-1编码全长gs3蛋白;gs3-2编码的蛋白质插入1个氨基酸;gs3-3导致gs3完整蛋白缺失,表现为籽粒变长;gs3-4编码N端的OSR结构域,表现为籽粒明显变短。截至目前,在水稻自然变异中仍未发现仅编码C端的Cysrich结构域的gs3变异类型,其对籽粒大小的调控也不清楚。本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在DNA序列两侧设计靶点删除大片段序列,创制出仅编码C端Cys-rich功能结构域的突变类型gs3-5,并获得纯合突变株系。与受体背景中花11相比,gs3-5纯合突变株系表现为粒长和千粒重增加。上述结果表明OSR结构域是gs3蛋白作为籽粒大小的负调控因子所必需的,为进一步解析OSR结构域对籽粒大小的调控以及探索新的育种改良方法提供了参考。

关键词： CRISPR/Cas9 gs3 粒长粒重水稻

利用CRISPR/Cas9技术敲除gs3和gs9基因改良水稻粒型性状

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华北农学报 2022年第2期37卷 9-17页

作者：韩政宏段宇轩徐善斌王敬国刘化龙杨洛淼贾琰辛威郑洪亮邹德堂东北农业大学寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150030

为促进长粒型粳稻品种的选育,以粳稻品种东富139、龙粳31和东农427为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了pYLCRISPR/Cas9-gs3-RNA和pYLCRISPR/Cas9-gs3-gs9-RNA 2个敲除载体,通过农杆菌转化法侵染受体材料的愈伤组织,对gs3和gs... 详细信息

为促进长粒型粳稻品种的选育,以粳稻品种东富139、龙粳31和东农427为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了pYLCRISPR/Cas9-gs3-RNA和pYLCRISPR/Cas9-gs3-gs9-RNA 2个敲除载体,通过农杆菌转化法侵染受体材料的愈伤组织,对gs3和gs9基因进行定点编辑。最终,3个品种在T_(2)都获得了gs3单基因突变、gs9单基因突变和gs3、gs9双基因突变,且无T-DNA元件的纯合植株。在成熟期对T_(2)突变体及其野生型的农艺性状进行考察分析,结果表明,与野生型相比,3个品种的gs3突变植株的粒长、千粒质量均显著增加,粒宽、结实率和穗粒数无显著变化;gs9突变体粒长显著增加,粒宽显著减少,千粒质量、结实率和穗粒数无显著变化;gs3gs9突变体粒长增加,且增幅大于gs3和gs9,同时粒宽显著减少,千粒质量显著增加,而结实率和穗粒数无显著变化。综上,利用CRISPR/Cas9技术对东富139、龙粳31和东农427等3个粳稻品种的粒型进行改良,加快了长粒型粳稻新品种的选育进程。

关键词：水稻粒型 gs3 gs9 CRISPR/Cas9

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CRISPR/Cas9编辑gs3和qGL3基因创制大粒水稻新种质

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植物遗传资源学报 2022年第6期23卷 1709-1717页

作者：赵春芳梁文化赫磊姚姝赵凌周丽慧赵庆勇陈涛朱镇路凯王才林张亚东江苏省农业科学院粮食作物研究所/国家耐盐碱水稻技术创新中心华东中心/江苏省优质水稻工程技术研究中心南京210014

CRISPR/Cas9基因编辑技术已成为植物新种质创制和性状定向改良的重要手段。gs3和qGL3是调控水稻籽粒伸长的主效基因,功能缺失后产生大粒表型。本研究拟以小粒型粳稻品种南粳5055为试验材料,对gs3和qGL3基因进行编辑,以期获得能稳定遗传... 详细信息

CRISPR/Cas9基因编辑技术已成为植物新种质创制和性状定向改良的重要手段。gs3和qGL3是调控水稻籽粒伸长的主效基因,功能缺失后产生大粒表型。本研究拟以小粒型粳稻品种南粳5055为试验材料,对gs3和qGL3基因进行编辑,以期获得能稳定遗传的大粒水稻新种质。利用CRISPR/Cas9系统构建了分别携带gs3-gRNA和qGL3-gRNA双靶点的pYLCRISPR/Cas9编辑载体,通过农杆菌介导的遗传转化法,成功获得了gs3和qGL3基因编辑植株,编辑效率分别为90.0%和88.9%。与南粳5055相比,gs3编辑植株在T2、T3世代中平均粒长增幅约9.0%,千粒重增幅平均为12.7%,每穗粒数降低约9.3%,穗数、穗长、结实率和单株产量差异不明显;qGL3编辑植株的粒长增幅约21.0%,千粒重增幅平均为31.7%,每穗粒数降低约31.5%,且穗数表现出增加而结实率表现降低趋势,而穗长和单株产量差异不明显。qGL3基因对粒形和粒重的贡献明显大于gs3。综上所述,通过CRISPR/Cas9技术编辑南粳5055的gs3和qGL3基因,获得了一系列大粒水稻新种质,该结果为水稻粒形改良研究提供了重要参考。

关键词：水稻粒形 gs3 qGL3 CRISPR/Cas9

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运用BioID技术筛选水稻gs3互作蛋白

广西植物 2018年第6期38卷 771-780页

作者：杜荣裕周泽娇冯嘉琳刘赛阳辉勇李洪清华南师范大学生命科学学院广东省植物发育生物工程重点实验室广州510631

水稻异源三聚体G蛋白系统中的非典型γ亚基gs3,是一个控制籽粒大小的主效数量效应基因座,在调节籽粒大小中发挥负调控因子的功能。BioID(proximity-dependent biotin identification)为邻近蛋白标记技术,其工作原理是生物素连接酶能使... 详细信息

水稻异源三聚体G蛋白系统中的非典型γ亚基gs3,是一个控制籽粒大小的主效数量效应基因座,在调节籽粒大小中发挥负调控因子的功能。BioID(proximity-dependent biotin identification)为邻近蛋白标记技术,其工作原理是生物素连接酶能使其周围的蛋白带上生物素,同时生物素又能和链霉亲和素紧密结合,所以能够利用链霉亲和素偶联的磁珠富集目标蛋白。该技术具有灵敏、高效和周期短等特点,为筛选互作蛋白提供了新方法。为了解析gs3的蛋白调控网络,该研究以水稻原生质体为材料,采用BioID技术对gs3在水稻中的互作蛋白进行了筛选。Western-blot结果表明:融合蛋白Bir AG-gs3在原生质体中成功表达并生物素化gs3邻近蛋白。使用链霉亲和素磁珠富集生物素化后的蛋白,并进行蛋白质谱测序,获得了与gs3邻近的可能存在直接或间接互作的蛋白。将获得的蛋白进行功能富集与注释,并构建蛋白-蛋白互作网络。对部分蛋白进行了BiFC验证,发现gs3可能与ICL、PPDK、RPN7和RH15发生相互作用,涉及能量代谢的调节、种子淀粉物质的储存、泛素-蛋白酶体系统以及凋亡途径等生物过程。

关键词： BioID gs3 水稻籽粒大小互作蛋白

利用CRISPR/Cas9技术编辑粒长基因gs3改善粳稻开花时间

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利用CRISPR/Cas9技术编辑粒长基因GS3改善粳稻开花时间

作者：孟帅中国农业科学院

学位级别：硕士

水稻是世界主要的粮食作物之一,我国水稻的种植面积约3067hm,其中粳稻种植面积约占21.7%,而杂交粳稻的种植面积仅占粳稻播种面积的5%,相比杂交籼稻而言,杂交粳稻的发展相对缓慢,应用十分有限,其中制种产量低是影响杂交粳稻发展的主要因... 详细信息

水稻是世界主要的粮食作物之一,我国水稻的种植面积约3067hm,其中粳稻种植面积约占21.7%,而杂交粳稻的种植面积仅占粳稻播种面积的5%,相比杂交籼稻而言,杂交粳稻的发展相对缓慢,应用十分有限,其中制种产量低是影响杂交粳稻发展的主要因素之一,而粳稻开花习性差是制约制种产量的主要因素,主要表现在开花不集中且分散,高峰期不明显。近年来,随着育种工作者对杂交水稻亲本开花习性的研究发现,同一亚种(籼稻或粳稻)水稻,其开花习性也存在差异。谷粒越长,开花越早,谷粒越圆,开花越迟,而这在粳稻品种中尤为突出。由于谷粒长度和长宽比具有稳定的遗传特性,因此粒型可作为现今选育早花时不育系的一种参考,可望通过改变谷粒的长度和长宽比来调整水稻开花早晚的问题。本研究利用CRISPR/Cas9技术对调控粒型基因gs3定向编辑,以13个常规粳稻为背景进行转基因试验,获得13对近等基因系材料。主要研究如下:1.靶位点敲除的构建gs3基因位于水稻第三号染色体上,含有5个外显子,编码一个由232个氨基酸组成的跨膜蛋白,而该基因所编码的蛋白对粒型起负调控作用,根据CRISPR/Cas9系统识别前间区序列临近基序的特异性,我们在第一外显子上起始密码子(ATG)处上下游8bp左右设计gRNA靶位点。2.农杆菌转化及转基因植株T代获得我们将构建好的靶位点PC1300-Cas9-gs3载体通过热激转化到农杆菌EHA105内,然后分别转化水稻材料长白25、吉粳102、空育131、垦鉴稻6号、浙粳22、浙粳88、武运粳27、扬粳4227、南粳9108、J5933、J6167、J5938、J42的愈伤组织。然后提取T植株的DNA,进行PCR酶切试验并通过测序验证。3.农艺性状考察我们对转基因后代的播始历期、株高、粒长、粒宽及长宽比等农艺性状进行田间调查,分析结果表明。13份转基因植株在粒长和长宽比上出显著增加,播始历期和粒宽无显著差异,大部分转基因系株高显著降低。4.开花时间差异分析选取同一背景条件下的13对材料,对纯和突变的后代植株进行田间花时调查分析,结果表明突变体的花时早于野生型花时,且吉粳102、武运粳27、空育131、浙粳88和扬粳4227的gs3突变体开花时间均显著早于野生型,其余材料开花也提前但不显著。利用CRISPR/Cas9技术成功对gs3基因进行编辑来改善粳稻开花习性,这一研究可为粳稻粒型育种提供参考,加速长粒粳稻亲本选育,有望推动杂交粳稻发展。

关键词：粳稻开花时间 CRISPR/Cas9 gs3

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gs3可变剪接精细调控籽粒大小的机制研究

GS3可变剪接精细调控籽粒大小的机制研究

首届植物科学前沿学术大会

作者：刘磊毛丰谷玉娟赵祥祥江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室淮阴师范学院

水稻籽粒大小调控方式主要集中在转录水平和翻译后水平,而转录后水平调控的研究相对较少。可变剪接是在转录后水平调控基因表达的重要方式。目前,可变剪接参与调控籽粒大小的研究还未被报道。gs3在调控籽粒和器官大小中发挥负调的功能,... 详细信息

水稻籽粒大小调控方式主要集中在转录水平和翻译后水平,而转录后水平调控的研究相对较少。可变剪接是在转录后水平调控基因表达的重要方式。目前,可变剪接参与调控籽粒大小的研究还未被报道。gs3在调控籽粒和器官大小中发挥负调的功能,其编码的蛋白包含OSR、TM、TNFR和VWFC四个结构域(Mao et al., 2010)。研究表明,gs3在转录水平和翻译后水平均受到严格的调控(Mao et al., 2010;Yang et al., 2021),而对其转录后水平的调控还未见报道。最新研究发现,gs3存在可变剪接,并且可变剪接产物多达6种以上,包含内含子保留、外显子跳跃和可变3’剪接等多种类型。其中,全长转录本和含有14bp内含子保留的转录本转录水平较高,分别命名为gs3.1和gs3.2。gs3.1和gs3.2分别占总转录本的50%和40%左右,其余形式总共占10%左右。gs3.2由于14bp的插入导致编码提前终止,只编码gs3的OSR结构域。与gs3.1蛋白膜定位不同,gs3.2蛋白在细胞膜和细胞核中均定位。转基因过表达分析表明,gs3.1过表达导致籽粒长降低8%,籽粒宽降低10.6%,千粒重降低47.9%。然而,与野生型相比,gs3.2过表达籽粒大小并没有明显变化。进一步分子生化实验表明,gs3.2竞争性地抑制gs3.1的信号通路,进而抑制gs3.1的负调控功能,最终实现gs3在转录后水平对籽粒大小的精细调控。进一步,对水稻祖先种、小麦、大麦及其近缘种中gs3的转录本进行了检测分析,发现可变剪接在上述禾本科植物中进化保守。另外,在拟南芥及其甘蓝型油菜中gs3的同源基因并不存在可变剪接。因此推测,这可能与gs3及其同源基因在相应物种中对籽粒大小的正、负调控功能的分化相关。综上所述,研究表明水稻gs3的可变剪接在籽粒大小的精细调控方面发挥重要的功能,并且这一作用方式在禾本科植物中是进化保守的。研究结果为在转录后水平调控籽粒大小的遗传改良方式提供了理论支持,同时也丰富了禾本科植物籽粒大小的调控机制。

关键词：籽粒大小千粒重 gs3 可变剪接转录后调控水稻

来源： cnki会议评论

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水稻粒长基因gs3在聚合育种中的效应

分子植物育种 2010年第1期8卷 59-66页

作者：杨梯丰曾瑞珍朱海涛陈岚张泽民丁效华李文涛张桂权华南农业大学广东省植物分子育种重点实验室广州510642

为探索利用水稻粒长基因gs3以及单片段代换系进行谷粒长性状设计育种的可行性,本研究利用以籼稻品种"华粳籼74"为遗传背景且携带谷粒长基因gs3的单片段代换系与携带其它优良基因的单片段代换系杂交进行了分子聚合育种。在F4获得了26份含... 详细信息

为探索利用水稻粒长基因gs3以及单片段代换系进行谷粒长性状设计育种的可行性,本研究利用以籼稻品种"华粳籼74"为遗传背景且携带谷粒长基因gs3的单片段代换系与携带其它优良基因的单片段代换系杂交进行了分子聚合育种。在F4获得了26份含gs3和其它优良基因的纯合聚合系,谷粒长测定证实这些聚合系都获得了目标谷粒长表型,有效地改良了华粳籼74的外观品质。研究结果表明利用单片段代换系和gs3可以实现谷粒长的设计育种。

关键词：水稻 gs3 单片段代换系聚合育种