2024年8月27日，Plant Communications上线了一篇关于水稻分蘖机制的研究论文，“The chloroplast pentatricopeptide repeat protein RCN22 regulates tiller number in rice by affecting sugar levels via the TB1-RCN22-RbcL module”。该研究表明，TB1-RCN22-RbcL模块通过影响糖分水平，在水稻分蘖芽伸长中起着至关重要的作用。
作为世界上最重要的作物之一，水稻（Oryza sativa L.）是全球多半人口的主要食物来源。水稻分蘖数控制着穗数，并决定了籽粒的产量，是重要的产量构成因素。尽管每个叶腋中都会形成一个分蘖芽，但并非所有的分蘖芽都能伸长成为分蘖。分蘖芽的伸长或休眠，受内外部信号的调控，例如光照、温度、芽的位置、糖类和激素等。
独脚金内酯（SL）是一种重要的植物激素，它能抑制分枝。在单子叶和双子叶植物中，SL的生物合成和信号传导途径都是保守的。至今，许多SL信号途径基因已在水稻中被鉴定出来。例如，DWARF14（D14）编码一个α/β水解酶，作为SL的受体。D14与Skp1-Cullin-F-Box (SCF) E3泛素连接酶DWARF3 (D3)结合形成D14-SCFD3复合体，促进了SL信号途径中的关键抑制因子DWARF53 (D53)的降解。TEOSINTE BRANCHED1（TB1）是一个TCP家族转录因子，负调控分蘖芽的伸长。而D53与Ideal Plant Architecture1（IPA1）相互作用并抑制其对TB1的转录激活活性。
作为生物体内的碳源，糖类在叶绿体中通过光合作用合成，并运输到库器官以满足需求。先前的研究表明，糖是触发分蘖芽伸长的第一个信号。在糖类成分中，蔗糖比葡萄糖和果糖更能显著促进分蘖芽伸长和分枝。在营养方面，蔗糖通过糖酵解和三羧酸循环提供能量维持代谢。
蔗糖还可以作为一种信号分子，调节激素网络和基因表达，以控制植物生长、发育和代谢。蔗糖还能通过抑制由生长素诱导的SL途径，或增强生长素从分蘖芽中的输出来促进分蘖芽的萌发和伸长。蔗糖还通过抑制D3基因的表达，导致D53蛋白积累，进而促进水稻分蘖。然而，糖对水稻分蘖芽萌发的调控机制尚不完全清楚。
五肽重复（Pentatricopeptide repeat, PPR）蛋白，是大多数陆生植物中发现的最大蛋白家族之一。大多数PPR蛋白定位在叶绿体或线粒体中，少数定位在细胞核。每个PPR基序的第5位和第35位的双残基组合，负责对RNA的特异性识别，这就是所谓的PPR code。例如，苏氨酸和天冬酰胺（TN)、苏氨酸和天冬氨酸（TD）分别对应核苷酸腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G)。
在水稻中，已预测有491种PPR蛋白，其中246和245种分属于P型和PLS型亚家族。定位在线粒体的PPR蛋白主要负责幼苗生长、胚乳发育和雄性可育性。大多数定位在叶绿体的PPR蛋白影响叶绿体发育，在正常或低温条件下，这些蛋白的功能丧失突变会导致白化幼苗。然而，此前尚未有关于叶绿体PPR蛋白调控水稻分蘖数的研究报道。
核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5 bisphosphate carboxylase/oxygenase, Rubisco）是卡尔文循环中的光合作用固碳酶。作为高等植物中最丰富的叶片蛋白，Rubisco催化光合作用和光呼吸的第一步。Rubisco由两个亚单位组成，即由核基因编码的小亚基（RBCS）和由叶绿体基因编码的大亚基（RBCL)。RbcL是一个由叶绿体RNA聚合酶依赖的叶绿体编码基因。RbcL的转录水平也受RBCS蛋白可用性和PPR蛋白稳定性的调控。
图1. rcn22 突变体的表型
在此，该研究报道了一个水稻分蘖减少突变体reduced culm number22 （rcn22)，由于分蘖芽伸长受到抑制而产生较少的分蘖。
图2. RCN22基因的图位克隆及其表达模式
图位克隆结果显示，RCN22编码一个定位于叶绿体的P型PPR蛋白。RT-PCR和GUS染色结果表明，RCN22 主要表达在绿色组织中，如叶片、叶鞘、小穗和伸长芽，但在白色组织中（如根、茎、幼穗和休眠分蘖芽）没有表达。因此，RCN22 是一种高度表达在绿色组织叶绿体中的 PPR 蛋白。
图3. rcn22突变体中RbcL的mRNA稳定性降低
随后的研究发现，RCN22特异性地结合到编码Rubisco大亚基的RbcL mRNA的5’-UTR，来增强其稳定性。
图4. RCN22蛋白结合到RbcL mRNA的5'-UTR
图5. rcn22突变体中的糖分含量减少
rcn22突变体中的RbcL mRNA含量降低，导致了光合速率和糖含量的下降，进而形成矮化和少分蘖表型。此外，负调控分蘖芽伸长的D3和TB1的转录水平增加，而正调控因子D53的蛋白质水平下降。此外，高浓度的蔗糖可以挽救rcn22突变体的分蘖芽生长缺陷。
图6. TB1在分蘖芽中下调了RCN22的表达
另一方面，TB1通过直接结合到RCN22的启动子上，下调了RCN22的表达。因此，tb1/rcn22双突变体，也表现出了与rcn22类似的分蘖表型。
图7. TB1-RCN22-RbcL模块控制分蘖芽伸长的工作模型
