研究揭示水稻粒型和穗粒數協調發育的分子機制

5月22日，The Plant Cell正式發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所林鴻宣研究組題為GRAIN SIZE AND NUMBER1 Negatively Regulates the OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 Cascade to Coordinate the Trade-offbetween Grain Number per Panicle and Grain Size in Rice的研究論文。經過多年努力，該研究發現並鑒定了控制水稻每穗粒數和粒型大小雙重發育過程的關鍵基因GSN1，揭示了水稻每穗粒數和粒型大小協調發育的分子遺傳機理。

水稻產量性狀是由多基因控制的複雜數量性狀，容易受到環境變化的影響。水稻產量主要由每株有效分櫱數、每穗粒數和粒重三個因素決定的。水稻的有效分櫱數直接決定了每株的穗數，每穗粒數則是由一級枝梗數目和二級枝梗數目以及枝梗上的小穗數目共同決定的，而水稻種子的粒長、粒寬、粒厚以及籽粒灌漿程度又直接決定了粒重。這三個內部要素之間相輔相成，共同決定水稻的產量。一般而言，影響水稻產量的這些內部要素之間並不是呈現出簡單的累加效應，而是存在一定的負相關性，直接制約了水稻產量的提高。如何破除效應壁壘，突破各個要素之間的相互制約性，找到要素之間相互作用以及維持平衡的結點，成為當前水稻科學研究以及分子設計育種所面臨的一個挑戰。一般而言，植物在進化過程中，種子的大小和種子數量之間也存在著同樣的負相關性，然而植物種子大小和種子數量決定的分子平衡機制卻知之甚少。

在這項研究中，作者篩選出一個粒型增大、粒重增加，但是每穗粒數明顯減少的突變體gsn1 (grain size and number 1)，並且成功定位克隆了GSN1基因。該基因編碼一個定位於細胞質的雙特異性磷酸酶。在秈稻和粳稻背景中，分別抑制GSN1的表達可以使得水稻粒型增大、每穗粒數減少；增強GSN1的表達使得粒型減小、每穗粒數增加，這表明GSN1協調水稻每穗粒數和粒型大小雙重發育過程。體內和體外研究表明，GSN1蛋白通過與OsMPK6互作，對其進行去磷酸化修飾，從而抑制OsMPK6的活性。進一步檢測水稻幼穗中OsMPK6的磷酸化水平發現，在gsn1突變體中OsMPK6的磷酸化水平明顯高於野生型，在GSN1受抑制的植株幼穗中OsMPK6的磷酸化水平也明顯升高，而在GSN1過表達的植株幼穗中OsMPK6的磷酸化水平明顯降低；此外，在OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR和OsMKKK10CRISPR植株中OsMPK6的磷酸化水平也明顯減弱，表明OsMPK6的磷酸化水平對於水稻穗形態建成至關重要。在野生型和gsn1背景中分別考察OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR和OsMKKK10CRISPR的單突變體和雙突變體表型發現：單突變體粒型減小、每穗粒數增多；雙突變體可以回復gsn1突變體的表型。這些結果表明，GSN1通過對OsMPK6的去磷酸化，負調控OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級聯信號通路。該研究首次在水稻中鑒定了調控水稻穗型發育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級聯信號通路，並且證實了GSN1是該級聯信號通路的負調控因子。研究結果還表明GSN1-MAPK分子模塊通過整合下游的植物激素信號影響局部細胞特化和細胞分裂，從而精細調控水稻每穗粒數和粒型大小之間的協同發育。該研究對於理解禾本科作物花序形態建成以及可塑性的分子調控機理具有重要意義，為作物產量的遺傳改良提供了新的分子模塊和策略。

該工作主要由博士研究生郭韜在研究員林鴻宣和副研究員單軍祥指導下完成。該研究獲得了科技部、國家自然基金委和中科院等的資助。

研究揭示水稻粒型和穗粒數協調發育的分子機制

來源：中國科學院上海生命科學研究院

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