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随着世界人口的不断增长,粮食短缺已成为一个严峻的世界性问题。水稻是最重要的粮食作物之一,养活了全球一半以上的人口。提高水稻产量,对于满足日益增长的粮食需求、保障粮食安全具有重要意义。fruit weight2.2(FW2.2)是番茄中控制果实大小的一个主效QTL,解释了番茄果实大小变异的30%。研究表明,FW2.2-like(FWL)基因在植物中广泛存在,通过负调控细胞分裂控制器官和果实(种子)的大小,以及参与镉等金属离子的响应。本研究利用新型CRISPR/Cas9基因组编辑系统构建了水稻FWL2基因2个基因敲除突变体系。表型分析表明,突变体株高等性状与野生型无显著差异,但每穗粒数和单株产量显著高于对照。进一步采用RNA-seq对该基因调控水稻穗粒数的分子机理进行了解析。主要研究结果如下:(1)构建了OsFWL2基因不同靶点的CRISPR/Cas9基因组编辑载体Osfw12a和OsfW12b,利用农杆菌介导法转化粳稻品种中花11,分别获得了 8株和14株转基因阳性植株。突变体基因型分析表明,多数突变类型为少数碱基对的插入或删除。Osfwl2a转基因苗中,1株为纯合突变,占比12.5%,6株为双等位突变,占比75%,1株无突变,占比12.5%;Osfwl2b转基因苗中,3株为纯合突变,占比21.4%,9株为双等位突变,占比64.3%,3株无突变,占比21.4%。两个载体均无杂合突变植株。(2)分别选择Osfwl2a和Osfwl2b载体各一个纯合突变体系作进一步分析。其中,Osfwl2a选择了一个1 bp插入的突变体,命名为osfwl2a;Osfwl2b选择了一个2 bp删除的突变体,命名为osfwl2b。两个突变体携带的突变在后代中均能稳定遗传。进一步利用一对HPT引物和一对sgRNA引物对T1代突变体中的T-DNA结构进行鉴定,成功分离到了无T-DNA插入的纯合突变体。(3)无T-DNA插入的纯合突变体株高、旗叶面积、每株穗数、穗长、每穗一次枝梗数等与野生型无显著差异,但突变体穗粒数与对照相比增加了 14%～18.6%,单株产量增加了 17.2%～17.3%。进一步对每穗二次枝梗数进行分析发现,突变体二次枝梗数增加了10.9%,表明其穗粒数的增加可能是由于二次枝梗数的增加所引起。(4)利用荧光定量PCR进行的表达模式分析表明,该基因主要在发育中的叶片中表达,但在发育中的根、茎、穗和种子中也有一定量的表达,并且其在茎秆、穗子和种子中的表达随着植株的发育成熟而逐渐增强。此外,该基因在叶片和根中的表达均不受镉处理影响,表明其可能不参与镉胁迫的响应。(5)对野生型和突变体枝梗和颖花分化期的幼穗进行转录组测序分析,共鉴定出3406个差异表达基因,其中,1383个为上调基因,2023个为下调基因。KEGG富集分析表明,该基因可能参与植物激素信号转导、光合作用等生理过程。综上所述,本研究利用CRISPR/Cas9技术成功构建了水稻FWL2基因的基因组编辑突变体并在T1代即分离获得了无T-DNA插入的纯合突变体,表明CRISPR/Cas9系统是植物尤其是重要作物基因功能研究的有效手段。osfwl2突变体二次枝梗数、穗粒数和单株产量显著增加。进一步转录组测序分析表明,该基因可能通过调控植物激素信号转导等负调控上述重要产量性状。这些结果为该基因的进一步功能研究及在水稻分子育种中的应用奠定了基础。