我國科學家發現調控水稻籽粒大小和粒重的新機制

據中科院網站4月24日消息，水稻籽粒大小是重要的農藝性狀，同時也是重要的發育生物學問題。雖然在水稻中已報道了一些調控種子大小的關鍵基因，但對其詳細分子機制和遺傳調控網絡的理解仍然有限。中國科學院遺傳與發育生物學研究所李雲海研究組與浙江理工大學汪得凱團隊、中國水稻所錢前團隊、中科院遺傳發育所汪迎春團隊合作發現了調控水稻籽粒大小和粒重的新機制。

為了解析水稻籽粒大小調控的分子機制和分子遺傳網絡，李雲海研究組前期篩選了一系列水稻籽粒大小改變的突變體，克隆了多個籽粒大小調控基因；同時鑑定了多個籽粒大小調控QTL基因（Xu et al., Molecular Plant 2018;Xu et al., Plant Journal 2018；Duan et al., Molecular Plant 2017; Duan et al., Nature Plants 2015）。本研究對其中一個大粒突變體large1進行了系統研究。LARGE1編碼一個RNA結合蛋白OML4（MEI2-LIKE4）。large1突變體株高增加，種子變大，千粒重也顯著增加，而過表達OML4導致水稻籽粒變小,表明OML4是籽粒大小的負調控因子。細胞生物學分析表明OML4通過抑制穎殼的細胞擴展來調節籽粒大小。進一步研究發現OML4與蛋白激酶GSK2體內、體外直接相互作用。GSK2是油菜素內酯信號傳導過程中的關鍵調控因子，可以通過與多個不同的蛋白相互作用來調控植物的生長發育。生化分析發現GSK2可以磷酸化OML4，從而調控了OML4蛋白穩定性。遺傳分析表明，GSK2與OML4作用於同一遺傳途徑調控水稻籽粒大小。該研究揭示了GSK2-OML4途徑調控水稻籽粒大小的新機制，為改良作物籽粒大小和提高作物產量提供了新的基因資源。

GSK2-LARGE1/OML4途徑調控水稻籽粒大小分子遺傳機制 圖丨中科院網站

該研究成果於4月17日在線發表於The Plant Cell雜誌（DOI: 10.1105/tpc.19.00468）。李雲海研究組的呂佳、段朋根和劉亞培以及浙江理工大學的汪得凱為該論文的共同第一作者，李雲海和錢前為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院青年創新促進會和中科院先導專項的資助。