研究成果

Science Bulletin —薛紅衛课题组揭示转录因子SPL12参与调控籼粳稻粒型的机制

發布時間:2021-05-31 

水稻(Oryza sativa L.)是我国重要的粮食作物之一,粒型是决定水稻产量与稻米品质的重要因素之一。亚洲栽培稻分为籼稻 (O. sativa ssp. indica) 与粳稻 (O. sativa ssp. japonica) 两个亚种,籼粳稻在生理特性上存在许多显著区别,在粒型性状上,籼稻粒细长而粳稻粒短圆。研究水稻的起源演化對合理和有效利用種質資源及品種改良具有重要參考價值,對水稻粒型調控機制的研究有助于闡明籼粳稻籽粒發育調控分子機制的差異,也將爲粒型性狀改良提供理論基礎。

近日,万森彩票農業與生物學院薛紅衛教授課題組在Science Bulletin上發表了題爲 RiceSPL12 coevolved with GW5 to determine grain shape  的研究论文。该研究发现,水稻转录因子SQUAMOSA promoter-binding protein-like 12 (OsSPL12) 与粒型调控关键基因Grain Width 5 (GW5) 存在协同进化的可能,最终导致籼粳稻粒型的差异。

SPLs是植物特有的一个转录因子家族,参与多种发育过程和生理活动的调控。水稻SPLs家族成员在产量性状调控方面发挥重要作用,例如 IDEAL PLANT ARCHITECTURE1 (IPA1)/OsSPL14抑制水稻分蘖并促进穗分枝,Grain Width8 (GW8)/OsSPL16特异调控水稻粒宽等。

该研究通过进化和功能分析,发现水稻OsSPL12参与籼粳稻粒型差异的调控。首先通过群体遗传学与功能学的双重验证,发现籼粳稻OsSPL12在转录激活域的一个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism, SNP) SNP1066能显著改变OsSPL12的转录活性,导致籼稻OsSPL12具有更强的转录活性;对转基因材料粒型的分析进一步明确了低活性的粳稻OsSPL12能促進粒寬而高活性的籼稻OsSPL12則抑制粒寬

利用轉基因材料幼穗組織進行的轉錄組學分析發現,籼稻OsSPL12影響更多下遊基因的表達,其中調控粒寬的關鍵基因 GW5受籼稻OsSPL12特異調控。對基因啓動子的分析發現,GW5的啓動子區域存在多個SPLs家族識別與結合的基序(GTAC),提示OsSPL12可能直接結合在GW5的啓動子區域進而調控其轉錄。進一步結合“3000份水稻基因組計劃”數據,發現OsSPL12的等位基因與GW5等位基因存在交互作用,即籼稻SPL12與籼稻GW5的組合顯著抑制粒寬

此前的研究表明,粳稻中GW5的低表达主要是由于GW5启动子上游约5 kb处一段1212-bp的缺失。研究发现,该1212-bp区域富含大量GTAC基序且OsSPL12可以直接与该区域结合并调控下游基因的表达,推測在籼稻中OsSPL12與1212-bp以增強子-啓動子的方式促進了GW5的表達

籼粳稻中OsSPL12與GW5調控粒型的作用機制示意圖。

 

綜上所述,該研究闡明了水稻馴化中OsSPL12與GW5存在共進化並協同決定水稻粒型,證明了OsSPL12在籼粳稻粒型分化上的重要作用,也爲未來針對粒型改良的精准分子設計育種提供了重要的分子模塊。

上海科技大學張曉凡博士爲論文第一作者,薛紅衛教授爲通訊作者。万森彩票楊春豔博士、中科院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究員和王佳偉研究員也參與了研究工作。該研究得到國家重點研發計劃、轉基因生物新品種培育重大專項、“萬人計劃”科技領軍人才與“作物逆境生物學”河南省協同創新中心的資助。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.005

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