水稻分蘖是决定籽粒产量的最重要农艺性状之一。光合作用和氮素供应是影响水稻分蘖芽伸长的两个重要因素，但对其潜在机制仍不明确。糖在植物生长中尤其重要，蔗糖供应与腋芽生长密切相关，但在单子叶植物中糖信号如何调节腋芽生长尚不清楚。此外，氮肥促进水稻分蘖生长，相关的硝酸盐转运和代谢基因也显示出重要性，但光合作用与氮素响应之间的关系仍需深入研究。
2024年6月24日，中国水稻研究所胡培松院士团队在New Phytologist上发表题为为“Photosynthesis regulates tillering bud elongation and nitrogen-use efficiency via sugar-induced NGR5 in rice”的研究论文。该研究旨在探讨光合作用与氮素响应在水稻分蘖调控中的相互作用。通过分析减少分蘖1号（DTN1）基因，发现其在光诱导水稻腋芽伸长中起重要作用，阐明了一种碳氮协同互作调控水稻分蘖芽发育的新机制，为水稻分蘖调控提供新的理论基础。
1.DTN1基因的图谱克隆与互补
为研究水稻分蘖的遗传基础，研究者从EMS诱变后代中筛选出分蘖数的遗传修饰因子，发现了突变体dtn1-1。与野生型Ri22相比，该突变体表现出显著降低的分蘖数和株高。通过杂交实验，F1代的分蘖数接近野生型，而F2代中约21%的后代表现为单株，表明该突变是单基因隐性遗传。突变位点定位于6号染色体的94-kb区域，包含14个假定基因。基因测序显示LOC_Os06g40640的ORF13位点发生点突变，导致氨基酸替换。转基因实验中，成功将Ri22的LOC_Os06g40640基因组片段引入dtn1-1突变体，转基因系表现出显著增加的DTN1表达量，分蘖芽出芽和株高缺陷得到完全修复，证明LOC_Os06g40640在水稻分蘖中的重要作用。综上所述，本研究认为DTN1基因突变是造成单秆表型的原因。
图1：DTN1基因的鉴定和分子特征。
2.DTN1突变体分蘖数减少是由于分蘖生长受到抑制所致
为了确认DTN1的分子作用，研究者在ZH11号背景下通过CRISPR/Cas9技术创建了两个DTN1突变体（dtn1-2和dtn1-3），这两个突变体在第二外显子中均含有移码突变。与野生型相比，dtn1-2和dtn1-3的分蘖数和株高显著降低。尽管它们的分蘖芽发育及顶端分生组织（SAM）和腋芽分生组织（AM）结构与WT相似，能够在幼苗的每个腋生分生组织位置形成正常分蘖芽，但仍表现出分蘖数减少。这表明dtn1突变导致分蘖芽的外生功能受损，而非分生组织的结构异常。
图2：dtn1突变体对分蘖芽生长的抑制作用。
3.糖含量的降低抑制了DTN1突变体分蘖芽的生长
DTN1编码一种358个氨基酸的FBP醛缩酶，与多种植物的醛缩酶高度同源。DTN1定位于过氧化物酶体，转录本在不同组织中的表达水平差异显著，叶片、鞘和茎的表达较高，而在分蘖芽、小穗和根中较低。功能丧失的dtn1突变体（dtn1-2和dtn1-3）表现出叶片变黄、叶绿素（Chl）含量降低及光合速率下降。dtn1突变体的净光合速率（Pn）和细胞间CO2浓度（Ci）明显高于野生型ZH11，其叶片中的糖类（如蔗糖、葡萄糖等）显著降低。光合抑制导致糖含量下降，进一步影响分蘖芽的生长。降低的蔗糖含量是导致分蘖数减少的主要原因，补充蔗糖可恢复分蘖数，强调了蔗糖在水稻分蘖中的关键作用。
图3：糖含量的降低抑制了dtn1突变体的分蘖生长。
4.光诱导分蘖芽伸长依赖于DTN1
本研究探讨了不同光照条件下光合作用与分蘖芽伸长的关系。水稻幼苗在低光强下的光合速率降低，分蘖芽长度明显减小。相比之下，光照条件下的幼苗可溶性糖（如蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖）含量较高，而dtn1-2突变体在不同光照下的分蘖数未见显著差异。经过暗处理，腋芽结构显著短于光照下的植株，表明光照促进分蘖芽的伸长过程依赖于dtn1的功能。暗处理导致分蘖芽中的蔗糖含量显著降低，进一步影响分蘖数，显示光照通过糖积累调控水稻的分蘖生长。
图4:光诱导分蘖芽伸长取决于减少DTN1。
5.DTN1的表达是由阳光诱导的，而不是蔗糖诱导的
RNA-seq分析显示，DTN1及其同源基因在光照条件下的表达显著增加，特别是DTN1，表达水平明显高于室内光照下。糖处理（如蔗糖、葡萄糖和果糖）在6和24小时内抑制DTN1的表达，与山梨醇对照相比，支持DTN1的表达受光诱导和糖抑制，两者构成负反馈调控机制。CRISPR/Cas9技术生成的双突变体dtn1-4 moc2表现出减少的分蘖数，moc2和dtn1-4突变体呈现单蘖表型，表明moc2在dtn1的下游发挥调节作用。所有突变体均可正常形成分蘖芽，但穗长和株高较短，且净光合速率下降。这一研究揭示了水稻在光照下诱导分蘖芽生长的机制，并强调了DTN1和MOC2的遗传关联的重要性。
图5：DTN1的表达是由阳光诱导的，而不是蔗糖诱导的。
6.蔗糖诱导NGR5、NR2和GRF4的表达水平在dtn1突变体中降低
转录组数据显示，光处理能激活与氮转运、同化和信号传导相关基因的表达。qRT-PCR验证表明，光处理后NGR5、NR2和GRF4的表达显著增加，同时氮转运基因（NRT1.1B、OsAS2）和硝酸盐代谢基因（GS2和GOGAT）也受光诱导。在三种糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）处理后，ZH11幼苗茎基部的基因表达增加，但dtn1-2突变体的NGR5、NR2和GRF4表达显著低于野生型ZH11。这表明碳同化对氮代谢基因的正向调节，强调光在氮代谢中的重要角色。
图6：蔗糖诱导dtn1突变体中氮介导NGR5、NR2和GRF4的表达水平降低。
7.NGR5过表达部分挽救了dtn1突变体分蘖数的减少
NGR5是水稻分蘖对氮有效性响应的重要调控因子。NGR5突变体的分蘖数量明显低于野生型9311，尽管其腋芽中能正常形成分蘖芽。NGR5在dtn1-1突变体背景下的过表达能够部分恢复分蘖表型。在dtn1-2突变体中，IPA1和D14的表达显著上调，表明DTN1与NGR5共同调控水稻分蘖。在氮处理实验中，高氮条件下ZH11分蘖数显著增加，但dtn1-2在不同氮供应条件下未见变化，显示其对氮供应不敏感。该研究强调NGR5作为DTN1下游因子，在水稻的氮利用和分蘖调节中发挥关键作用。
图7：过表达氮介导的NGR5部分挽救了dtn1突变体分蘖数的减少。
该研究通过正向遗传学手段鉴定了一个调控水稻分蘖数目的关键基因DTN1，该基因突变体会导致水稻光合速率降低，叶片和腋芽中蔗糖和其他糖含量减少，从而导致分蘖数目的减少，外源蔗糖处理可恢复分蘖减少的表型。该研究将有助于进一步了解水稻分蘖伸长过程，为水稻高产育种提供理论依据。
