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张启发院士团队揭示水稻穗分枝发育调控的分子机制

信息来源:Molecular Plant  发布时间: 2021-05-11   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室张启发教授课题组在Molecular Plant上在线发表了题为“Bract suppression regulated by themiR156/529-SPLs-NL1-PLA1 module is required for the transition from vegetative to reproductive branching in rice”的研究论文。该研究揭示了苞叶(由植物花序所产生的叶片)抑制在水稻穗分枝发育中的关键作用,发现了调控水稻株型建成的新机制,为水稻的遗传改良提供了新的思路。

水稻是全球的主要粮食作物之一。在单株水平上,水稻的产量由单株穗数、每穗粒数和粒重共同构成。其中单株穗数和每穗粒数分别取决于营养生长期和生殖生长期的侧生分枝的形成。因此挖掘调控分枝发育的基因,解析其分子机理和互作网络,对于水稻的遗传改良具有重要的指导意义。

前期多个课题组的研究表明,microRNA156/529及其靶基因SPL在水稻侧枝发育和“理想株型”的建立中,具有核心的调控作用。张启发教授课题组早在2010年就发现SPL基因随着水稻穗发育的进程逐渐下调表达,随后在2015年解析了SPL基因通过调节microRNA172-AP2和MADS34-RCN1途径来协同调控水稻营养和生殖分枝发育的分子机制,并于2017年进一步提出精细调节SPL基因的表达水平和表达模式,对于作物的遗传改良可能具有普遍意义的学术观点。

在本研究中,研究人员揭示了microRNA156/529和SPL通过抑制苞叶的生长来调节穗分枝的发育模式,从而决定水稻产量性状的形成过程。在绝大多数被子植物中,苞叶发育都会受到严重抑制,但是该发育过程的生物学意义在很大程度上是未知的。

研究人员发现通过超量表达microRNA156/529或者突变SPL基因,水稻会在穗部形成异常发育的苞叶以及营养性分枝,并且SPL基因呈现苞叶原基特异表达的特征,表明苞叶抑制是正确建立穗分枝的必要条件,对水稻产量的形成具有重要的调控作用。进一步的研究表明,SPL基因不仅可以调控另外一个苞叶抑制基因NL1的表达,同时在蛋白质水平上SPL和NL1还可以发生相互作用。遗传学实验表明SPL和NL1可能是通过调节共同的下游基因来抑制苞叶发育的。通过RNA-seq和ATAC-seq比较分析野生型以及SPL和NL1突变体的发育早期幼穗中的转录组和染色质开放性,发现SPL和NL1对于穗发育过程中的转录组重编程具有重要的调控作用,并且这种重编程在一定程度上归结于染色质开放性的改变。研究结果还揭示SPL14和NL1可以共同结合在另外一个苞叶抑制因子PLA1的启动子区域并调节其表达,PLA1的超量表达可以在一定程度上恢复SPL和NL1突变体的表型,表明PLA1是SPL和NL1的共同下游因子抑制苞叶的长出。

图1. 水稻营养分枝和生殖分枝发育模式转变的基因调控网络

水稻营养分枝和生殖分枝发育模式转变的基因调控网络

综上所述,该研究不仅阐述了microRNA156/529和SPL基因调控水稻分枝发育的新的分子机制,同时也揭示了苞叶抑制在穗发育过程中的关键作用,拓宽了对水稻株型建立的遗传和发育机制的理解,也为今后水稻的遗传改良提供了一个新的思考角度。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室张启发教授为该论文的通讯作者,博士后王磊为该论文的第一作者。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.04.013