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科技创新进展:在水稻侧生分枝发育调控的分子机制方面取得重要研究进展

来源:中国水稻研究所作者:重点实验室发布时间:2021-11-05

  11月3日,我所水稻生物学国家重点实验室张健团队在Plant Physiology在线发表了题为RLB (RICE LATERAL BRANCH) recruits PRC2-mediated H3K27 tri-methylation on OsCKX4 to regulate lateral branching的研究论文。研究发现核定位的KNOX型同源框蛋白RLB(OsH15)可招募多梳复合体PRC2到细胞分裂素氧化酶基因OsCKX4启动子区,对其实施H3K27me3组蛋白修饰抑制,调控水稻细胞分裂素的稳态,进而调节分蘖、小穗和护颖等侧生器官的生长发育。

图1.rlb突变体表型

  与人类和动物的四肢相似,高等植物也可以在根部、枝干和花絮等主干部位分化出分枝。分枝的产生可强化植株对养分、阳光和空间等资源的竞争,增加子代繁衍的数量,在进化上具有积极的意义。此外,株型和穗型等分枝也是作物产量形成的决定因素。细胞分裂素(Cytokinin, CK)是调控植物侧生分枝发育的重要激素。在水稻中,Gn1a、LOG和CKX9等侧生分枝发育基因均与CK代谢基因有关。植物如何通过CK的精准时空表达和稳态维持来调控分枝的发生一直是一个具有生物学共性的基础科学问题。

  该团队以水稻“中花11”背景的侧生分枝发育突变体rlb(rice lateral branch)为材料,开展了表型鉴定、基因克隆、调控机理和改良应用的研究。突变体rlb表现为半矮秆、多分蘖、稀穗、多轮花序发育异常,灌浆受阻、愈伤组织再生困难等典型的CK缺乏性状。与野生型相比,rlb中的反式玉米素核苷(TZR)、玉米素(zeatin)和异戊烯基腺苷(IPA)等CK活性成分显著下降。同时,外施玉米素可大幅回复rlb愈伤组织的再生效率。

  图位克隆结果显示,LOC_Os07g03770基因在CDS 709-732位发生了24个碱基的缺失,导致在237-244位ELK保守区缺失8个氨基酸(LKFQLLKK)。遗传互补也证实了LOC_Os07g03770即为RLB,该基因是OsH15的一个新等位基因。RLB属于同源异型框基因,与玉米RS1具有较高同源性,在水稻中与OsH1/OsKN1相似性最高。

  细胞分裂素氧化酶基因OsCKX4的表达水平在突变体rlb中显著上调,且ChIP-qPCR,EMSA及荧光素酶等实验证实RLB蛋白直接与OsCKX4启动子结合并抑制其转录。OsCKX4为组成型表达基因,但在穗及发育的种子里表达水平较高。原位杂交结果显示OsCKX4 mRNA在穗次级分生组织中大量积累。OsCKX4过表达株系有着与rlb突变体表型相似。

  RLB与多梳复合体PRC2成员EMF2b存在互做,并与PRC2介导的组蛋白抑制修饰H3K27me3在OsCKX4启动子中存在共定位。由此作者认为,RLB可能通过招募PRC2介导的H3K27me3组蛋白抑制修饰调控OsCKX4的表达,从而精细调节CK的分解代谢和水稻侧枝分化。

  在LOG启动子驱动下反义抑制OsCKX4可使穗增大,单株穗粒数比野生型极显著增加,其他主要农艺性状基本不变,但小花育性有所下降。本研究为水稻的CK稳态与植株侧生分枝的关系研究提供了新视角,也为水稻遗传改良提供了优良的基因资源。

图2. RLB-EMF2b-OsCKX4模块调控水稻侧生分枝的分子机制

  该研究得到了国家自然科学基金, 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项的支持。已出站博士后王惠梅、助理研究员童晓红以及博士生唐立群为共同第一作者,张健研究员为该论文通讯作者。

  文章链接:https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiab494/6420228?searchresult=1


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