近日，浙江大学生命科学学院毛传澡课题组在Nature communications上在线发表了题为“A root system architecture regulator modulates OsPIN2 polar localization in rice”的研究论文，该研究成功克隆了水稻根系结构的重要调控因子OsGLS1，并揭示了OsGLS1通过调控生长素转运蛋白OsPIN2的极性分布的新机制。研究深入解析了OsGLS1如何影响水稻根系形态及养分吸收效率的分子机理，为提高作物养分利用效率的根系遗传改良提供了重要的理论基础和宝贵的基因资源。
根系结构的优化对作物高效利用养分和实现高产具有关键意义。然而，关于调控作物根系形态的分子机制，我们的了解仍相对有限。毛传澡教授的研究团队通过图位克隆技术成功分离并鉴定了一个对水稻根系结构起关键调控作用的基因——OsGLS1，并运用反向遗传学与分子生物学的方法深入探讨了OsGLS1在塑造水稻根系形态中的分子生理功能。
研究表明，OsGLS1主要在水稻幼苗期的根外层细胞以及成熟阶段的茎节和叶片中表达。当该基因发生突变时，观察到根生长角度增加、主根长度延伸和不定根数量增多的现象，这使得植株在田间条件下表现出更强的养分吸收能力和更高的单株产量。
植物激素生长素在根尖和根外侧细胞中的极性分布是影响根系形态的重要因素，而OsPIN2在此过程中扮演着主导角色，负责根冠和根表皮细胞内生长素的极性运输。研究团队发现，pin2 gls1双突变体的表型与单独的gls1或pin2突变体相似，表明OsGLS1和OsPIN2在同一遗传路径上共同作用于水稻根生长角度的调控。进一步分析显示，OsGLS1编码一种Ring finger类型的E3泛素连接酶，其活性依赖于Ser30位点的磷酸化修饰，使OsGLS1能够特异性地定位在根外层细胞靠近根尖一侧的细胞质膜上。此外，OsGLS1可以直接与OsPIN2相互作用，并通过26S蛋白酶体途径降解同侧细胞质膜上的OsPIN2，确保OsPIN2在顶端质膜上的正确定位，从而建立生长素的极性分布，决定根系形态。对比野生型植株，gls1突变体中OsPIN2的极性定位模式被破坏，导致根尖区域生长素的极性分布发生变化，进而引起更大的根生长角度（图1）。
图1 ：OsPIN2在gls1突变体中定位模式发生改变
总结来说，这项研究不仅识别了一个重要的根系形态调控基因，还阐明了PIN2蛋白极性定位的一种新机制（图2），同时确认了可以作为提高作物养分吸收效率遗传改良目标的基因位点，为提升作物营养吸收效能提供了理论依据和遗传资源。
图2：OsGLS1调控OsPIN2极性分布进而调控水稻根构型和养分吸收效率的工作模型
毛传澡教授课题组博士后李勇和任美燕为该论文共同第一作者，毛传澡教授为通讯作者。英国诺丁汉特伦特大学陆春贵教授、浙江大学郑绍建教授、莫肖蓉教授、吴忠长教授、徐纪明博士、刘于博士及吴运荣实验师等也参与了该项工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的资助。
