戚旺，毕一凡，轩强兵，张新，周慧岗，聂圆情，程彪彪，张禹舜，王俊杰，梁卫红
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0405
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《水稻OsRhoGDI1过表达影响粒型及种子活力》的研究报告。本研究构建OsRhoGDI1过表达水稻，并对该基因过表达对粒型以及种子活力的影响开展研究，为后续研究OsRhoGDI1-OsRac5模块在调控水稻生长发育中的功能奠定基础。
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粒型是受多基因控制的复杂的数量性状，粒型调控机制的研究对于水稻育种具有重要的指导意义。迄今，数百个粒型调控基因被相继鉴定和克隆，对水稻籽粒大小调控的分子机制的研究也在不断深入。本研究发现OsRhoGDI1过表达水稻的粒长变长、粒宽变窄、千粒重降低，提示OsRhoGDI1的功能涉及粒型调控。通过RT-qPCR检测证实，6个粒型调控基因GS2、GS5、GS6、GW2、GW8和GLW7在转基因水稻幼穗发育过程中的表达水平均有不同程度的变化，提示转基因水稻粒型变化受多种粒型调控基因的共同控制。水稻籽粒大小与籽粒灌浆程度及颖壳发育状况密切相关，其中颖壳发育过程涉及细胞分裂和细胞扩张，通过细胞分裂增加细胞数量，通过细胞扩张增大细胞体积，很大程度上决定了粒型。因此，本研究进一步对转基因水稻颖壳进行了细胞水平的检测，发现转基因水稻外颖壳细胞长度增加、宽度减小，但是单位面积细胞数量与对照相比无明显差异，提示OsRhoGDI1过表达可能通过改变粒型调控基因的表达，进而影响颖壳发育中细胞的扩张，参与粒型调控。由于实验室前期发现OsRhoGDI1在幼穗中高表达，那么该基因过表达导致的粒型改变是否还涉及灌浆过程，值得后续深入的研究。
种子能否快速、均匀发芽是衡量种子活力的重要标志之一。GA和ABA是调控种子萌发最重要的植物激素，二者在种子萌发过程中存在拮抗关系。GA是促进种子萌发的激素，其水平受到GA代谢相关基因的调控，GA20ox、GA3ox与GA2ox分别为活性GA合成与分解的限速酶。ABA水平的变化同样受到ABA代谢基因的调控，NCED和ABA8ox作为ABA代谢的限速酶，NCED的表达水平上调促进ABA合成，而ABA8ox表达水平的上调促进ABA失活。本研究对OsRhoGDI1转基因水稻萌发速度和萌发率的分析发现，OsRhoGDI1过表达水稻种子初始萌发速率显著高于WT，为确定这种差异是否与植物激素的调控有关，通过RT-qPCR检测证明转基因水稻的GA合成基因OsGA3ox2、OsGA20ox1以及ABA分解基因OsABA8ox2的相对表达量均不同程度的提高，同时GA分解基因OsGA2ox3、OsGA2ox8以及ABA合成基因OsABA1、OsNCED5的表达量均不同程度下降，据此推测在OsRhoGDI1过表达水稻种子萌发过程中，GA、ABA代谢相关基因表达水平的改变，造成内源GA水平提高、ABA水平降低，进而使GA/ABA比值升高，促进种子萌发，该推测也得到相关文献的支持。
水稻的基因组中至少有8个α-淀粉酶基因，分别为Amy1A、Amy1C、Amy2A、Amy3A、Amy3B、Amy3C、Amy3D和Amy3E。本研究发现，OsRhoGDI1转基因水稻萌发过程中，4种α-淀粉酶基因OsAmy1A、Amy2A、Amy3A和OsAmy3E相对表达量均高于WT，且α-淀粉酶的活性也高于WT，说明OsRhoGDI1过表达不仅上调转基因水稻种子萌发过程中α-淀粉酶基因的表达，而且还能增强α-淀粉酶活性，加速淀粉水解，进而促进转基因水稻种子萌发。有研究报道，在盐胁迫下，种子中的活性GA水平降低，通过引起α-淀粉酶基因表达下调、酶活下降，导致种子萌发延迟，那么OsRhoGDI1过表达如何通过活化GA信号，从而控制α-淀粉酶基因的表达和酶活，提高种子活力，值得后续深入的研究。
本研究发现OsRhoGDI1过表达不仅改变粒型，而且提高了种子活力，为深入研究OsRhoGDI1的功能提供了重要线索，也为解析OsRhoGDI1-OsRac5模块在调控水稻粒型以及种子活力中的作用机制奠定了基础。
OsRhoGDI1过表达可以通过改变粒型调控基因的表达水平，导致颖壳表皮细胞伸长，引起粒长变长，粒宽变窄；该基因过表达还可以通过改变萌发相关基因表达水平，增强α-淀粉酶的活性，促进种子萌发。
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