水稻具有非常悠久的栽培历史,是世界上最主要的粮食作物之一。种子大小与粮食产量直接相关。水稻种子包括种皮、胚乳和胚;胚乳是胚生长发育的营养来源,占据了种子的大部分体积,是决定种子大小的关键组织。印记基因的表达依赖于其亲本来源,并受表观机制调控。印记表达主要发生在动物的胎盘和开花植物的胚乳中。人们推测胚轧性状与印记基因相关,目前主要有两种假说来解释基因印记的生物学意义。一个是目前比较流行的“亲本冲突假说”,它认为印记是由母本和父本在母本资源分配问题上存在竞争产生的。但该假说可能并不适用于解释自花授粉植物,如水稻。另一个是“亲本-子代共适应假说”,它则认为印记是自然选择的结果,通过增强亲本与子代的适应能力,使子代获得最优性状(如种子大小)。但目前在植物与动物中支撑共适应假说的遗传依据比较有限。本研究旨在揭示印记基因是否控制水稻种子大小以及相应的调控机制。为了研究印记基因的功能,从本实验室现有的全基因组基因表达数据中挑选出5个在胚乳中高表达的印记基因作为研究对象,其中2个母本印记基因MEG2(Os07g20110)、MEG3(Os06g30280),3 个父本印记基因FBD(Os01g41370)、FBX365(Os10g04980)和FBDUF48(Os1(g37540)。主要的研究结果如下:利用CRISPR/Cas9技术敲除这5个候选基因,获得相应基因的纯合突变体。我们发现突变体meg2-1和meg2-2的颖壳(母本遗传的组织)并没有发生变化,由此排除了母本遗传对种子发育的影响,而其籽粒长度和宽度都减少了约10%,此外突变体的千粒重也明显降低:虽然突变体meg3的种子大小和颖壳与对照相比却没发生变化,但其千粒重明显降低。通过野生型与纯合突变体meg2-1的杂交实验,发现meg2-1X Nipponbare的杂交当代的种子与meg2-1一样地变小,而Nipponbare X meg2-1的F1种子大小与Nipponbare的相同,没有变小,这表明MEG2的母本等位基因调控了水稻种子大小。此外,突变体fbx365的颖壳并没有发生变化,但其籽粒长度减少、千粒重降低;突变体力fbduf48的籽粒宽度减少了约10%,千粒重与对照相比也明显降低。这表明父本印记基因FBX365与FBDUF48影响水稻种子的大小。“亲本冲突假说”认为父本印记基因促进种子发育,而母本印记基因则抑制种子发育。与此假说不符的是本研究发现印记基因发生突变导致水稻种子变小。本研究结果支持“亲本-子代共适应假说”,主要是指通过维持亲本与子代间的适应能力,使子代获得最优性状,为该假说提供了实验依据。本研究中研究的印记基因通过进一步的研究与开发有望用于提高水稻和其他禾本科作物的产量。综上所述,本研究证明了母本印记基因MEG2(Os06g30280),MEG3(Os07g20110)与父本印记基因FBX365(Os10g04980),FBDUF48(Os10g37540)具有调控水稻胚乳发育和种子大小的功能。