JIPB | 中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队揭示QTL位点GN1.1通过调节生长素极性运输调控水稻穗粒数的机制
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科学
2024-08-01 17:30
北京
水稻是最重要的粮食作物之一，同时也是重要的单子叶模式植物。水稻的单株产量主要由单株穗数、每穗粒数及粒重这三个因素决定。而这些性状主要是由QTLs (Quantitative Trait Loci) 控制。利用QTL定位的方式克隆能够显著提高水稻产量的位点，并通过分子育种的方式将这些位点导入优良品种中能够进一步提高水稻的产量，可以缓解全球人口日益增加所引起的对粮食需求增加的问题。近日，JIPB在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队题为“A QTL GN1.1, encoding FT-L1, regulates grain number and yield by modulating polar auxin transport in rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb13749)，揭示了QTL位点GN1.1通过调节生长素极性运输调控水稻穗粒数的机制。为了研究水稻穗粒数的遗传和分子调控机制，通过图位克隆的方式克隆到了一个显著提高水稻穗粒数的位点GN1.1 (GRIAN NUMBER 1.1)。GN1.1编码一个FT-L1蛋白，是一个负向调控水稻穗粒数的QTL位点。通过对近等基因系间的多个农艺性状及产量的考察，我们发现携带BF3-104基因位点的NIL-GN1.1B (NIL-GN1.1BF3-104) 株系比携带日本晴基因位点的NIL-GN1.1N (NIL-GN1.1NIP) 株系，其主穗粒数增加了19.6%，单株产量增加了19.2%，小区产量增加了14.6%。通过比较GN1.1N和GN1.1B的序列，GN1.1的编码区一个碱基发生了由GN1.1N中的C到GN1.1B中A的变异，并引起氨基酸由丙氨酸 (A) 到天冬氨酸 (D) 的变异。在粳稻品种中，该位点主要碱基C的形式存在，而籼稻和普通野生稻中主要以碱基A的形式存在。研究表明相较于GN1.1N蛋白，GN1.1B蛋白更易于通过泛素-蛋白酶体途径降解。通过酵母双杂交实验发现GN1.1可以与OsZAC (Zinc And Calcium-binding) 蛋白互作，并且利用多种实验证明两者可以在植物体内和体外发生相互作用。无细胞蛋白降解实验结果表明GN1.1蛋白能够增加OsZAC的蛋白稳定性。OsZACKO植株表现出穗粒数显著增加的表型，这表明OsZAC负向调控水稻穗粒数。并且，GN1.1KO/OsZACKO的表型证明OsZAC可能位于GN1.1的遗传下游。实验证明OsZAC可以与小G蛋白OsArf1及OsArf3在植物体内和体外发生相互作用。并且，OsZAC对OsArf1及OsArf3具有GTPase激活活性。生长素极性运输抑制剂TIBA的处理结果表明，GN1.1和OsZAC正向调控生长素的极性运输。生长素运输实验显示OsZACKO植株的生长素向基运输能力减弱。相较于NIL-GN1.1N，NIL-GN1.1B植株幼穗中生长素含量显著增加。在近等基因系间的幼穗中，参与生长素合成、转运、响应等过程的基因表达量发生了改变。OsZACKO植株幼穗中生长素含量也显著增加，这表明GN1.1通过OsZAC参与水稻生长素的极性运输并引起幼穗中生长素含量的改变 (图1)。![]()
图1. GN1.1-OsZAC模块调控水稻穗发育的模式图
该研究揭示了一个调控水稻穗粒数的模块GN1.1-OsZAC可以通过影响生长素的极性运输调节水稻穗部的生长素含量进而参与调控穗的发育。上述研究为阐明水稻穗粒数的调控机制提供了理论基础，并为分子育种提供了优异的基因资源。 中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究员为论文通讯作者，赵怀玉博士为该论文的第一作者，正高级工程师单军祥博士、高级实验师叶汪薇博士、副研究员董乃乾博士等也参与了该项工作。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、岭南现代农业广东省实验室等的资助。Zhao, H.Y., Shan, J.X., Ye, W.W., Dong, N.Q., Kan, Y., Yang, Y.B., Yu, H.X., Lu, Z.Q., Guo, S.Q., Lei, J.J., Liao, B., Lin, H.X. (2024). A QTL GN1.1, encoding FT-L1, regulates grain number and yield by modulating polar auxin transport in rice. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13749JIPB面向全球，刊发整合植物生物学研究的重要创新成果，包括宏观和微观领域有创新性的重要研究论文、综述、简讯、新资源、新技术和评论性文章等。2023年2年SCI_IF: 9.3，位于植物科学TOP 3.2%，SCI的Q1区。2023年Scopus数据库中CiteScore: 18.0，位于植物科学TOP 2%。JIPB位于中国科学院期刊分区生物学大类1区和植物学小类1区，中国科协《植物科学领域高质量期刊分级目录》T1级，并入选中国科技期刊卓越行动计划。
