水稻是最重要的粮食作物之一，如何提高水稻产量一直是科学研究与育种研究长期关注的重点。水稻产量由单位面积穗数、每穗实粒数和千粒重三个因素构成，千粒重由颖壳的体积和胚乳发育状况两个因素决定，对颖壳形状与体积的描述一般称为粒形，包括粒长、粒宽和粒厚，因此，粒形是重要的产量性状之一。前人通过图位克隆法分离到GS5，它是第五染色体上的一个正调控粒宽、粒重和灌浆速率的微效基因，窄粒等位基因GS5-H94与宽粒等位基因GS5-ZS97之间的差异主要是启动子区存在的18个多态性位点造成两者表达水平的高低不同。提高GS5的表达量可以增加粒宽，因为GS5影响了一系列细胞周期调控基因的表达，GS5表达量的提高可以促进颖壳细胞分裂，增加颖壳细胞数目。本研究主要内容包括：　　⑴GS5在绿色组织中的表达水平远高于非绿色组织，在非绿色组织中表达量最高的是发育中的幼穗。在幼穗发育过程中宽粒等位基因GS5-ZS97的表达量高于窄粒等位基因GS5-H94，而在绿色组织中GS5-H94的表达量反而更高，暗示GS5的表达受到至少两种不同因素的调控。　　⑵GS5启动子的顺式作用元件大部分是光响应元件，两个等位基因的多态性位点主要造成光响应元件的数量不同，GS5-H94含有更多的光响应元件。研究证实GS5的表达受光照诱导，并在一天中表现出节律性变化。GS5-H94受光照诱导后表达量的改变更为剧烈，因此，可以解释GS5在绿色组织中高表达，且GS5-H94拘表达量高于GS5-ZS97。　　⑶利用一系列截短与定点诱变的启动子-GUS(β-Glucuronidase)片段分析造成幼穗中表达量差异的关键位点，发现启动子-1139 bp至-931 bp（记为B区）对GS5的差异表达具有最关键的影响。比较GS5-H94、GS5-ZS97与来自宽粒品种中花11的第三种单倍型GS5-ZH11的启动子-1139 bp至-604 bp区段（B、C区），鉴定出GS5-H94特有的三个SNPs（SNP_-1109，SNP_-1032和SNP-825），将GS5-ZS97的SNP_-1109和SNP_-1032诱变为GS5-H94基因型可将其启动子强度降低到GS5-H94水平上。　　⑷启动子B区的SNP-1109和SNP-1032位于一个GA(Gibberellin)响应元件侧翼，C区的SNP-825造成两个等位基因产生一个光响应元件的差异。将GA响应元件诱变缺失后，启动子强度上升，表明GA响应元件的作用是抑制表达;将光响应元件诱变后，启动子强度下降，表明光响应元件的作用是促进表达;在幼穗中，GA响应元件对启动子强度的影响更大。激素处理结果表明GS5的表达不受GA影响，但ABA(Abscisic Acid)对GS5-H94的表达有明显的抑制作用，对GS5-ZS97的影响则不明显，从而造成GS5-H94的表达量低于GS5-ZS97。　　⑸GS5是一种丝氨酸羧肽酶类蛋白，GS5-H94和GS5-ZS97的蛋白质功能没有差异，表达量的提高都可以使粒宽增加。GS5是分泌性蛋白质，定位于细胞表面，与细胞膜之间存在密切联系。过量表达时有相当一部分GS5蛋白滞留在内质网中。　　⑹酵母双杂交筛选到GS5可与细胞膜蛋白OsBAK1-7（拟南芥BAK1(BRI1-Associatied Kinase1)的同源基因）的胞外LRR(Leucine-Rich Repeat)结构域互作。如同拟南芥的报道，OsBAK1-7的LRR结构域也可与OsMSBP1（拟南芥MSBP1(Membrane Steroid-Binding Protein1)的同源基因）互作，这种互作会促进OsBAK1-7的内吞。本研究表明当细胞表面存在大量的GS5蛋白时，GS5与OsBAK1-7的互作会竞争性抑制后者与OsMSBP1的互作，从而阻止OsBAK1-7的内吞。这种竞争性互作可以在一定程度上解释为什么GS5的表达水平与表型正相关。　　⑺GS5的表达受到BR(Brassinosteroids)的抑制;拟南芥BR信号转导途径中的一个丝氨酸羧肽酶BRS1在水稻中的超表达也可使粒宽增加，且粒宽也与其表达水平正相关;加上GS5与OsBAK1-7的互作关系，暗示GS5很可能通过BR信号转导途径调控颖壳细胞分裂和粒宽。OsBAK1-7超表达后植株半矮，茎秆变细，缺失突变体株高增加，茎秆变粗，可能对水稻生长具有一定的抑制作用，但粒形没有变化;OsMSBP1在各个组织时期都有很高的表达，其缺失突变体成苗率极低，绝大部分在萌发后死亡，植株矮化、分蘖减少、粒形变小，表明它对水稻生长有必不可缺的作用。这两个基因在BR信号转导中的作用还需进一步研究，目前的初步结果认为它们对水稻生长的作用是相反的，GS5通过对它们互作平衡的调节实现对表型的控制。　　⑻对527份核心种质材料和17份野生稻材料进行GS5的比较测序，从ATG上游2 kb到3-UTR共6.4 kb的区间内鉴定出130个SNPs和27个InDels，其中70％以上的多态性位点分布在2 kb的启动子区。根据这些多态性位点可将GS5分成49个单倍型(Haplotype)，归为12个单倍群(Haplogroup)。一共鉴定出10种完整形式的GS5蛋白类型，它们之间只有少数氨基酸的差异，没有发现提前终止的类型，其中GS5-P2（即GS5-H94）是最古老的蛋白质类型，GS5-P1（即GS5-ZS97）形成较晚。　　⑼四大单倍群中，GS5-1型（即GS5-ZS97型）和GS5-2型（即GS5-H94型）主要分布在籼稻中，GS5-3型（即GS5-ZH11型）主要分布在粳稻中，GS5-4型主要分布在aus稻中。由于群体结构的存在，只能比较籼稻中GS5-1型和GS5-2型材料的粒形差异，为了剔除同一染色体上粒宽主效基因qSW5/GW5的效应影响，对其基因型进行鉴定。结果发现相同qSWS/GW5基因型的材料中GS5-1型和GS5-2型材料的粒宽没有显著差异，表明GS5的微弱效应在自然群体中被掩盖了。　　⑽在籼稻IndI亚群中检测到GS5的Tajimas D值显著小于0，π值非常低，且该亚群中绝大部分是GS5-1型材料，暗示形成较晚的GS5-1可能受到人工选择，但其微弱的效应似乎不太可能被人类发现和选择。分析发现Rc或Wx等驯化基因的突变并不影响GS5-1和GS5-2的基因型频率，但当qSW5/GW5位点发生突变，产生显著的大粒表型后，GS5-1的基因型频率便大大上升。由于GS5与qSW5/GW5位点之间相距仅2Mb并存在一个连锁不平衡区域(LD block)，表明GS5位点受到qSW5/GW5位点受选择的搭载效应影响，而且籼稻中qsw5/gw5的突变发生在GS5-1的背景下。