水稻产量由三个性状决定：单株有效穗数(分蘖数),每穗实粒数和粒重。大量研究表明,粒重与产量呈显著正相关,有较高的遗传率。粒重可以分解为粒长、粒宽、粒厚。关于粒形的三个性状,过去已经有很多遗传研究,也取得了很大进展,有些QTLs已经成功克隆,对粒形的调控机理有了较为深入的认识。位于第三染色体着丝粒附近有一个控制粒长的主效QTL GS3,也已被成功克隆。基于序列的预测显示,GS3编码一个跨膜蛋白,氨基端预测为磷脂酰乙醇胺结合蛋白(PEBP)区,羧基端包含两个结构域,TNFR/NGFR和VWFC。比较测序发现,长粒品种中第二个外显子处有一个碱基C突变为A,产生终止突变,导致基因功能缺失。在前人研究的基础上,本研究通过转基因方法进行基因的功能验证,对基因的表达模式及亚细胞定位做了研究。另外,比较测序发现一种新的等位基因型,并由此开展了一系列的研究,确定了基因的功能区。主要结果如下：1.采用PCR方法,从短粒品种Chuan 7中扩增出GS3基因组区段9.8Kb,亚克隆至转化载体pCAMBIA1301上,转化长粒品种明恢63,结果发现粒长明显变短。和亲本明恢63相比,转基因粒长减小20%以上,同时,转基因粒宽有所增加。后代测验结果分析表明,转基因与粒长呈完全共分离,这说明成功地完成了基因的功能验证。2.为了进一步验证基因功能,我们又采用RNAi技术抑制Chuan7中GS3基因的表达,结果出现预期表型,即RNAi植株粒长明显变长,共分离检测结果表明粒长变大是由于基因表达量下降引起。3.对来源于广陆矮4号(中等长度)的GS3全长cDNA进行超量表达发现,转基因植株整体发育受到抑制,表现为植株矮化,叶片变短,粒形变小,表现为(?)因多效。另外,我们还发现,超量表达植株在抽穗以后容易感染稻曲病,不过,后续研究发现这种现象不稳定,可能受环境影响较大,对于其机理有待进一步研究。4.通过颖壳切片发现,明恢63颖壳纵向细胞数目明显多于Chuan 7中细胞数目,而细胞大小只在颖壳顶端有显著差异。由于颖壳顶端细胞较小,我们认为GS3主要通过调控细胞数目来控制颖壳大小5.比较测序发现Chuan 7中GS3在第二个外显子处没有发生终止突变,和短粒表型一致。有意思的是,在第五个外显子处有一个碱基C的缺失,造成移码突变,导致羧基端两个结构域的缺失,这说明基因的功能区不在羧基端,而位于氨基端。通过对81份本室收藏的核心种质库的品种及60份来自不同国家的野生稻GS3区段测序,都没有发现Chuan 7中这种等位基因型,说明其是特有的基因型,为我们深入研究基因功能提供了宝贵的材料。6.对GS3蛋白质序列重新进行分析发现,位于氨基端的PEBP结构域不能重复预测到,序列比对发现GS3中PEBP区段与其他PEBP基因氨基酸序列相似性很低,脂类结合实验也证实GS3不能结合磷脂酰乙醇胺(PE),这些结果说明GS3不是一个PEBP基因。将GS3氨基端序列进行同源搜索发现,这段序列在很多物种中都很保守,包括单子叶、双子叶植物,甚至是裸子植物中也有发现,而动物或酵母等其他非植物生物中不存在,说明这个区段可能是植物特有的。结合本研究结果,我们将其命名为器官大小调控区(Organ size regulation, OSR)。7.为了研究珍汕97编码的GS3(同广陆矮4号)和Chuan 7编码的GS3两种等位基因之间的关系,我们构建了两套近等基因系,分别将珍汕97和Chuan 7 GS3区段导入明恢63得到NIL(zs)和NIL(c7),然后将两个近等基因系之间杂交,得到三种基因型NIL(zs)、NIL(c7)、NIL(het),结果表明这两种等位基因之间没有遗传上的显隐性关系。8.为了证实GS3功能区确实位于氨基端,即OSR区,我们采用结构域缺失方法将不同的结构域缺失然后转化明恢63,结果发现有OSR区的转化植株粒形都变短,而没有OSR区的转化植株粒形没有变化；羧基端的两个结构域对OSR的功能有抑制作用,其中,VWFC的抑制作用更强。另外,我们将VWFC结构域缺失然后超量表达转化明恢63,结果植株非常矮小,粒形也变得很短。9.利用Real-time PCR和RNA原位杂交技术,对GS3表达模式基因研究表明,GS3呈组成型表达,在幼穗发育早期表达最强,随着幼穗发育进程,表达量逐渐降低。近等基因系之间表达没有明显差异,说明表达量及表达模式不是导致基因功能缺失的原因。对蛋白质亚细胞定位研究发现,包含四个完整结构域的GS3蛋白质定位于细胞质,而Chuan 7编码的蛋白质定位在细胞膜上。将结构域缺失然后进行定位研究发现,原来预测为跨膜区的结构域可能不是真的跨膜区,而Chuan 7编码的蛋白质中移码产生的新序列可能包含有跨膜信号。10.利用超量表达材料进行全基因组芯片表达分析,结果发现大量核糖体蛋白基因表达受到抑制,暗示GS3可能通过抑制蛋白质的翻译从而负调控细胞分裂,控制颖壳的大小本研究证实了GS3负调控粒长的功能,并通过结构域缺失的方法证明OSR是控制粒形的关键结构域,解析了GS3不同结构域的功能与粒形自然变异的之间的关联。