科技创新进展：鉴定到一个受高温诱导、调控稻米品质的关键转录因子并解析了其作用机制
近日，我所胡培松院士团队在水稻胚乳发育及稻米品质受高温影响的调控机理研究方面取得重要进展，在Plant Communications上在线发表题为“OPAQUE3, encoding a transmembrane bZIP transcription factor, regulates endosperm storage protein and starch biosynthesis in rice”的研究文章，报道了水稻OPAQUE3（O3）编码一个具有跨膜结构域的bZIP转录因子（OsbZIP60），能同时调控胚乳储藏蛋白和淀粉的生物合成，参与维持高温下胚乳内质网（ER）稳态，保证水稻胚乳的正常发育，为稻米品质遗传改良提供了重要的理论依据。
民以食为天，食以稻为先。水稻是我国主要粮食作物之一，全国60％以上的人口以稻米为主食。随着人们生活水平的提高，人们对稻米品质的要求越来越高，不仅要求吃饱，更要求吃好（健康、营养等）。灌浆期高温是水稻尤其是南方籼稻区最易遭遇的自然胁迫，高温下水稻灌浆进程缩短，导致淀粉等储藏物质合成与累积不足，淀粉的组成和结构发生变化，最终引起稻米产量下降、外观与食味变差。目前，高温影响稻米品质，导致垩白或粉质胚乳产生的分子机理仍不明确。因此，研究调控稻米淀粉、蛋白质等储藏物质合成及受高温调控的分子机制，对水稻品质遗传改良、培育高温胁迫下的优质高产水稻新品种具有重要的意义。
该研究发现了一个稻米品质高温更敏感的胚乳不透明突变体opaque3 （o3），杭州自然高温环境下，野生型中花11籽粒饱满透明，而突变体o3籽粒灌浆速率降低，成熟籽粒中总淀粉、直链淀粉和总蛋白质及谷蛋白含量显著降低，谷蛋白57-kD前体大量积累，千粒重和单株产量均显著降低。设置更严格的人工高温（35℃/28℃）和常温环境（28℃/22℃）处理，发现人工高温环境下o3成熟籽粒比常温下突变表型更加极端，籽粒粉质皱缩，直链淀粉、蛋白质含量、粒重极显著降低，而中花11则变化较小，表明o3稻米品质对高温更敏感。细胞学观察发现o3胚乳ER结构异常，ER及其衍生囊泡中滞留了大量的蛋白前体；o3胚乳细胞中部分造粉体提前解体，导致大量的淀粉单粒存在。利用Mut-Map方法克隆了O3基因， 发现O3编码一个含跨膜结构域的bZIP转录因子（OsbZIP60），O3在发育中的籽粒中高表达；亚细胞定位显示O3在ER与细胞核中双重定位，添加DTT诱导发生ER胁迫，或去除其跨膜结构域后，O3则主要定位于细胞核中。
o3突变体的表型
进一步研究发现O3可以直接结合胚乳储藏蛋白和淀粉合成相关基因GluA2、Prol14、Glb1、GBSSI、AGPL2、SBE1和ISA2的启动子中O2、GCN4等motif调控其表达，参与胚乳储藏蛋白与淀粉的合成。此外，O3还可以直接结合ER蛋白质加工核心分子伴侣基因OsBIP1、PDIL1-1的启动子pUPRE-II box等，参与蛋白质加工与分泌。此外，O3受高温胁迫诱导高表达，高温下o3发生更加严重的ER胁迫，OsbZIP50、BIPs、PDILs、Calnexin、OsFes1C等响应内质网胁迫相关基因大幅度上调表达。严重的ER胁迫反馈促进O3的同源基因OsbZIP50等发生可变剪切进入细胞核，去激活BIPs、PDILs等相关基因的表达，帮助缓解高温下ER胁迫。
O3的工作模型
本研究证明了O3在水稻胚乳发育，特别是高温胁迫下胚乳的正常发育中起着核心的调控作用。为稻米品质遗传改良及培育品质高温钝感水稻品种提供了重要的理论依据。此外，o3突变体胚乳中谷蛋白显著降低，也可以为培育适合肾脏病人群食用的低谷蛋白专用水稻提供重要的基因资源。
该研究得到国家自然科学基金项目，浙江省自然科学基金，中国农科院创新工程等项目的资助。我所博士研究生操瑞节和博士后赵绍路为文章的共同第一作者，胡培松院士和魏祥进研究员为共同通讯作者。
原文链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(22)00300-5