Regulatory mechanism of OsPRR37 for heading date in rice

Abstract

일본 북해도 원산인 극조생종 벼 H143 유전자원과 한국 중남부에서 재배되는 중만생종 벼인 밀양23호를 교배하여 얻은 RIL 집단을 이용하여 Pseudo-Response Regulator 37 (OsPRR37) 유전자를 지도기초분리 후 기능 연구를 통해 OsPRR37 유전자가 벼의 출수 조절에 관여함을 밝힌 연구이다. 벼의 출수에 관여한다고 알려져 있었던 Heading date 2 (Hd2) QTL이 OsPRR37임을 밝혔고 OsPRR37 기능이 정상인 밀양23호의 allele을 가진 집단과 OsPRR37 기능이 소실된 H143의 allele을 가진 집단을 비교한 결과 자연적 장일조건인 포장에서 H143 allele을 가진 집단이 밀양23호의 allele을 가진 집단보다 조기개화 하였다. 즉 OsPRR37이 장일조건에서 개화를 지연하는 개화억제자로서 광주기 민감성 조절에 관여함을 알 수 있었다. 장일조건에서 OsPRR37의 밀양23호 allele은 개화를 촉진하는 florigen으로 알려진 Hd3a의 발현을 억제하여 개화를 억제하는 기능을 하는 것으로 나타났다. H143의 OsPRR37과 같은 자연변이는 이러한 개화 억제 기능을 상실했으며 일본과 중국 고위도 지역에서 재배되는 벼 품종에서도 H143 allele의 자연변이를 발견하였고 이러한 품종들은 고위도 지역의 벼 재배 기간동안 장일조건에서도 조기 개화하는 특징을 보였다. 이는 자연선택과 인간에 의한 인위적 선발에 의해 벼의 원산지인 저위도 열대지역에서부터 고위도 한냉지역으로 순화되었음을 증명하는 자료가 된다.

Heading date and photoperiod sensitivity are fundamental traits that determine rice adaptation to a wide range of geographic environments. By quantitative trait locus (QTL) mapping and candidate gene analysis using whole genome re-sequencing, we found that Oryza sativa Pseudo-Response Regulator37 (OsPRR37

hereafter PRR37) is responsible for the Early Heading7-2 (EH7-2)/Heading date2 (Hd2) QTL which was identified from a cross of late-heading rice Milyang23 (M23) and early-heading rice H143. H143 contains a missense mutation of an invariantly conserved amino acid in the CCT (CONSTANS, CO-like, and TOC1) domain of PRR37 protein. In the world rice collection, different types of nonfunctional PRR37 alleles were found in many European and Asian rice cultivars. Notably, the japonica varieties harboring nonfunctional alleles of both Ghd7/Hd4 and PRR37/Hd2 flower extremely early under natural long-day conditions, and are adapted to the northernmost regions of rice cultivation, up to 53o N latitude. Genetic analysis revealed that the effects of PRR37 and Ghd7 alleles on heading date are additive, and PRR37 down-regulates Hd3a expression to suppress flowering under long-day conditions. Our results demonstrate that natural variations in PRR37/Hd2 and Ghd7/Hd4 have contributed to the expansion of rice cultivation to temperate and cooler regions.