胡培松院士团队揭示CHALK10-SD1-GA通路调控水稻籽粒垩白形成新机制
近日，中国水稻研究所胡培松院士团队在 Plant Communications 期刊在线发表了题为“The F-box protein CHALK10 mediates SEMIDWARF-1 ubiquitination and degradation to negatively regulate grain chalkiness in rice”的研究论文，该成果解析了CHALK10-SD1-GA泛素化降解分子模块调控水稻籽粒垩白形成的分子机理。
水稻胚乳发育缺陷会导致稻米呈现垩白表型，从而降低稻米品质，影响稻米外观和市场价值。尽管水稻籽粒垩白形成分子调控机制已有大量研究，然而由于其极易受遗传和环境等条件影响，其遗传基础和精细调控网络有待深入阐析。 SEMIDWARF-1 （ SD1 ）基因编码赤霉素（GA）生物合成关键酶GA 20-氧化酶（GA20ox），其功能缺失突变导致植株矮化或半矮化，可提高抗倒伏性和收获指数，该基因的育种应用培育了高产水稻和小麦品种进而引发了20世纪60年代的“绿色革命”。目前研究表明GA主要影响水稻株高、花发育、花粉成熟、种子萌发、光信号传导、穗结构、叶片扩展和茎生长，其是否影响水稻籽粒垩白的形成仍不清楚。
本研究鉴定出水稻垩白调控基因 CHALK10 ，其编码的F-box蛋白可负调控水稻籽粒垩白形成。与野生型相比， chalk10 突变体表现出淀粉颗粒发育异常、垩白粒率和垩白度增加，总淀粉含量降低及淀粉理化特性改变。为探索其调控水稻籽粒垩白形成的分子机制，通过酵母双杂交筛库鉴定到一个调控GA生物合成关键酶SD1，并进一步通过LUC、BIFC、COIP和Pull-down实验证明CHALK10与SD1互作。CHALK10定位在细胞核和细胞质，可以与OSK1、CUL1和RBX1形成SCF复合体通过26S蛋白酶体途径介导SD1的泛素化降解。过表达SD1的水稻籽粒垩白增加，而在 chalk10 突变体背景下引入 sd1 突变可显著抑制 chalk10 突变体的高垩白表型。我们发现 chalk10 突变体的GA水平高于野生型，外源施用具有生物活性的GA3会增加籽粒垩白，证实 CHALK10 参与调控GA的合成进而影响垩白的形成。此外， chalk10 突变体中淀粉降解或生物合成相关基因的表达发生改变，导致胚乳中淀粉合成减少而可代谢糖含量增加。综上所述，本研究揭示了CHALK10-SD1-GA通路调控水稻籽粒垩白形成的新机制，并为提高稻米品质遗传改良提供了新的思路。
图1. F-box蛋白CHALK10和GA 20-氧化酶SD1协同调控稻米垩白形成
图2. CHALK10-SD1-GA通路调控水稻垩白形成的工作模式图
该研究得到浙江省自然科学基金青创项目、中国农科院创新工程和中央公益性科研院所基本科研业务费的资助。博士研究生周蔚为论文第一作者，博士研究生曹妮为论文共同第一作者，胡培松院士为通讯作者，邵高能研究员和唐绍清研究员为共同通讯作者。
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https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101354