Duplication of an upstream silencer of FZP increases grain yield in rice

Corresponding author: Yongzhong Xing

Transcriptional silencer and copy number variants (CNVs) are associated with gene expression. However, their roles in generating phenotypes have not been well studied. Here we identified a rice quantitative trait locus, SGDP7 (Small Grain and Dense Panicle 7). SGDP7 is identical to FZP (FRIZZY PANICLE), which represses the formation of axillary meristems (腋分生组织). The causal mutation of SGDP7 is an 18-bp fragment, named CNV-18bp, which was inserted ~5.3 kb upstream of FZP and resulted in a tandem duplication in the cultivar Chuan 7. The CNV-18bp duplication repressed FZP expression, prolonged (延长) the panicle (穗) branching period and increased grain yield by more than 15% through substantially (相当多地) increasing the number of spikelets (小穗) per panicle (SPP) and slightly decreasing the 1,000-grain weight (TGW). The transcription repressor OsBZR1 binds the CGTG motifs in CNV-18bp and thereby represses FZP expression, indicating that CNV-18bp is the upstream silencer of FZP. These findings showed that the silencer CNVs coordinate a trade-off between SPP and TGW by fine-tuning FZP expression, and balancing the trade-off could enhance yield potential.

转录沉默与变异拷贝数是与基因表达相关联的，然而它们在表型形成中的作用还不清楚。本文对水稻的一个数量性状位点SGDP7进行了研究。SGDP7的基因是FZP，其会抑制腋分生组织的形成。SGDP7的突变是一段18bp的叫做CNV-18bp的片段插入在FZP基因上游~5.3 kb处，导致在栽培种Chuan 7中形成一个串联重复。这段CNV-18bp的重复序列抑制了FZP基因的表达，延长了穗分枝期，并通过增加每个穗上小穗（SPP）的数量提升了至少15%的籽粒产量，另外千粒重（TGW）有所降低。转录抑制OsBZR1结合到CNV-18bp序列上的CGTG基序，并因此抑制FZP基因的表达，表明这段CNV-18bp是FZP基因上游的沉默子。本文的发现显示沉默CNV会通过精确调控FZP基因的表达介导SPP与TGW之间的平衡，而对于这个平衡的介导有增加产量的潜力。

个人简介：1988/09-1992/06，湖北农学院（现长江大学）农学系，农学学士；1993/09-1996/06，湖南农业大学农学系，农学硕士；1996/09-1999/06，华中农业大学生命科学技术学院，生物化学与分子生物学博士；1999/07-2001/12，华中农业大学，生命科学技术学院，讲师；2002/01-2006/11，华中农业大学，生命科学技术学院，副教授；2003/10-2006/10，丹麦农业科学院（现Aarhus大学），遗传生物技术系，博士后；2002年-至今，作物遗传改良国家重点实验室，水稻产量生物学课题组负责人；2006/12-至今，华中农业大学生命科学技术学院，教授。

研究方向：1. 水稻产量性状遗传基础研究；2. 产量性状（粒形、穗粒数和株型）基因克隆及分子机制；3. 水稻开花基因克隆及其分子机理探讨。

doi: 10.1038/s41477-017-0042-4