Nature Communications｜VIG1基因上的一个点突变促进了水稻的发育和耐冷性

文摘 2024-09-24 22:08 中国香港

2024年9月18日，Nature Communications上线了一篇关于水稻耐冷机制的研究论文，“A point mutation in VIG1 boosts development and chilling tolerance in rice”。该研究通过对突变体VIG1的鉴定，提出了一种通过提高水稻幼苗活力、耐冷性和穗粒数来实现协同优化高产作物的方法。

水稻（Oryza sativa L.）是世界上多数人的主食。考虑到全球人口老龄化加速、严重的劳动力短缺以及逐渐上升的生产成本等因素，全球粮食生产面临着严峻挑战。最近，水稻直播系统因其低成本和便利性而被广泛采用，但其成功应用在很大程度上依赖于水稻品种的幼苗活力、抗寒能力和高产性能。

然而，水稻起源于热带和亚热带地区，这导致了现代水稻品种在各个发育阶段对寒冷极其敏感，幼苗活力大大降低。更糟糕的是，直接播种与明显减少的籽粒产量相关，这是由于田间管理不当所致。因此，扩大直播系统的应用，需要确定能够改善幼苗活力、抗寒能力和籽粒产量这三个参数的调控因子。

幼苗活力（seedling vigor, SV）的主要特征在于地上部和根系的快速早期生长，它是一个由众多数量遗传位点（QTLs）控制的复杂农艺性状。通过基于图位克隆和全基因组关联研究，已经鉴定了许多与茎长和/或根长相关的QTL。然而，关于幼苗如何协调生长与压力反应以适应周围环境知之甚少。

耐冷性（chilling tolerance, CT）是另一个影响稻田直播的重要因素，因为水稻在其不同发育阶段对冷胁迫都是敏感的。据报道，有几个基因会同时调控SV和CT，这对水稻植株的建成和在冷胁迫条件下的存活至关重要。尽管这些研究关注了SV和CT的同时调控，但很少关注各种调控因子对籽粒产量的影响。

作为一种重要的粮食作物，水稻产量主要取决于每株的有效分蘖数、穗粒数（grain number per panicle, GNP）和籽粒重量。因此，更多的研究正在着眼于通过针对这些参数来提高水稻产量。由初级和次级分枝塑造的GNP，对籽粒产量的贡献最大。过去几十年里，虽然已经鉴定出了许多单独调控SV、CT和GNP的调控因子，但很少有调控因子能够在这三者之间取得平衡。

迄今为止，IDEAL PLANT ARCHITECTURE 1 (IPA1)被报道为整合SV、CT和GNP的关键目标，IPA1的功能丧失会减弱水稻的CT和GNP但促进SV。因此，需要更多的研究来识别调控因子并阐明SV、CT和GNP之间的权衡机制，这对于水稻育种将大有裨益。

图1. 突变体vig1a和vig1b的表征及致病基因的定位

该研究鉴定了两个OsbZIP01的等位突变体vig1a和vig1b，它们都显示出显著增强的幼苗活力和耐冷性。但它们在最终的籽粒产量上有所不同，突变体vig1a显著增强了GNP。

图2. VIG1-CK株系显示出增强的幼苗活力和耐冷性，但其籽粒产量下降

图3. VIG1 通过与OsbZIP18的互作调节幼苗活力、耐冷性和穗粒数

通过同时突变OsbZIP01和OsbZIP18基因，或者通过选择性操纵OsbZIP01的基本区域，可以获得vig1a表型。在vig1a中破坏OsbZIP01的亮氨酸拉链区域会使vig1a转变为vig1b。

图4. vig1a的产生依赖于vig1a与OsbZIP18之间的互作

图5. VIG1与OsbZIP18共同抑制与细胞扩张、细胞分裂、耐冷性和穗粒数相关的下游基因

进一步分析表明，VIG1（OsbZIP01）与另一个bZIP转录因子OsbZIP18共同作用，协同抑制涉及细胞扩张和增殖、C-REPEAT BINDING FACTOR/DEHYDRATION-RESPONSIVE ELEMENT-BINDING PROTEIN（CBF/DREB）途径和GNP控制的基因表达，从而同时促进SV、CT和GNP。

图6. NIL-vig1a显示出提高的幼苗活力、耐冷性和籽粒产量

综上所述，这些发现为同时提高幼苗活力、抗寒能力和谷粒产量以促进水稻生产提供了一种策略。

图7. VIG1和OsbZIP18介导幼苗活力、耐冷性和穗粒数的工作模型

END

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