科技创新进展：揭示类胡萝卜素合成途径调控水稻分蘖和产量
近日，中国水稻研究所任德勇/钱前团队在JIPB上在线发表了题为“Carotenoid isomerase regulates rice tillering and grain productivity by its biosynthesis pathway”的研究论文。该文章报道了类胡萝卜素异构酶DN通过类胡萝卜素生物合成途径调控分蘖和产量。
分蘖是禾本科独特的花序分枝，决定了穗数、植株结构和产量。籽粒性状作为影响农作物最终产量的重要因素，与分蘖一同受到多种分子途径的调控。现如今多数分蘖和粒型调控基因及相应的分子途径已被揭示，然而绝大部分研究仅针对单个性状的改变进行分析，因此很难从综合水平上考量这些基因在设计育种中的实际应用。
类胡萝卜素生物合成是植物激素独角金内酯SL和脱落酸ABA的来源，SL和ABA已被报道能够抑制分蘖的形成。本研究结果表明，DN翻译提前终止导致多分蘖主要是由于类胡萝卜素合成途径受阻下的SL和ABA的生物合成被抑制。通过进一步对野生型、dn和过表达植株外源施加rac-GR24和ABA以及激素处理下表达模式测试，表明各株系的分蘖生长受到抑制且SL和ABA之间存在相互作用。具体表现为外源施加SL对ABA生物合成相关基因的表达起促进作用，外源施加ABA对SL合成相关基因表达起抑制作用，而在类胡萝卜素异构酶活性下降的dn植株中ABA对SL合成的抑制作用丧失。
另外，DN突变穗粒数、枝梗数、粒重等籽粒性状均显著降低，可能是由于酶活性降低使类胡萝卜素合成受阻和光合能力被抑制。通过测定野生型、dn和过表达植株暗培养后复光处理下的光合色素和蛋白，表明 dn复绿能力相比于野生型和过表达植株下降，暗示DN可能通过影响光合能力进而调控产量。
图. 类胡萝卜素合成途径调控水稻分蘖和产量
综上所述，该研究结果明确了水稻类胡萝卜素合成途径介导的SL-ABA模块和光合能力对水稻分蘖能力和生产力的调控作用，有助于综合利用分子设计培育理想株型水稻品种，进而在合理密植下实现水稻高产优质，保障粮食安全。
该研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目和面上项目、海南省院士创新平台科研项目资金资助。我所水稻生物育种全国重点实验室任德勇研究员和钱前院士为共同通讯作者。中国水稻研究所博士生丁朝庆和硕士生邵征绩为论文共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13617