Plant Journal｜OsMYC2-JA反馈回路通过细胞壁松弛调控水稻的日间开花时间
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科学
2024-07-08 15:51
中国香港
2024年7月7日，Plant Journal上线了一篇关于水稻开花时间的研究论文，“The OsMYC2–JA feedback loop regulates diurnal flower-opening time via cell wall loosening in rice”。该研究结果表明，OsMYC2-JA反馈回路通过细胞壁重构调控了水稻的日间开花时间，有望促进籼粳稻之间的杂交育种。近年来全球气温逐渐升高，高温已成为农业和粮食安全的世界性挑战，特别是对水稻等主要作物而言。水稻在开花期对高温极其敏感，因为高温会导致花粉活力下降，直接影响产量。早晨开花的籼稻在低纬度地区有利，因为开花不会发生在一天中最热的时候，从而提高了结实率。相反，中午开花的粳稻在高纬度地区有益，因为开花不会在早晨低温下发生，否则会导致花粉散播失败和严重的结实率下降。水稻的日间开花时间（Diurnal flower-opening time, DFOT），即水稻在一天中的花药开放时间（这里定义为水稻植株上最早的小花绽放时间），是杂交水稻种子生产中的一个重要性状。籼稻和粳稻之间的杂交具有强烈的杂种优势，但亲本品种通常有不重叠的DFOT，这降低了籼稻与粳稻亚种间杂交种子生产的成功率，阻碍了利用籼粳亚种间的杂种优势。然而，我们对于水稻DFOT的分子调控机制，还知之甚少。水稻小穗的开放，表现为内外稃的开启，是由一对位于外稃旁边、靠近子房基部对称分布的浆片迅速吸水膨胀引起的。浆片细胞质渗透压与细胞壁松弛之间的平衡决定了DFOT。水稻开花受到遗传、环境因素以及植物激素的影响。此外，浆片细胞壁的松弛也与DFOT密切相关。浆片主要由仅含有初生壁而无次生壁的薄壁细胞组成，而细胞壁重构影响细胞壁松弛并控制细胞扩张。茉莉酸（JA）及其衍生物甲基茉莉酸（MeJA）是参与信号传导、植物生长发育、防御反应、压力响应、次级代谢物生物合成及其他重要生理过程的关键信号分子。OsMYC2受JA和其他植物激素诱导，编码一个作为植物激素诱导转录重编程和各种压力反应核心调控者的转录因子。JA调节OsMYC2活性并触发复杂的调控网络，调控下游JA响应基因的表达。先前的研究发现，OsJAZ9通过抑制JA信号传导途径，起到对日间早期开花的负向调控作用。不过，OsJAZ9调控DFOT的机理，目前还不清楚。
图1. OsJAZ9与OsMYC2之间的相互作用以及OsMYC2的相对表达水平首先，酵母双杂交和萤光素酶互补成像（LCI）实验显示，OsJAZ9与OsMYC2有直接的相互作用（图1a和b）。这暗示OsJAZ9可能通过JA信号路径抑制OsMYC2的激活，且OsMYC2很可能在水稻的日间开花过程中扮演着重要角色。
为了探索OsMYC2在开花过程中的可能作用，该研究用RT-qPCR分析了OsMYC2在粳稻品种中花11号（ZH11）中的表达模式。OsMYC2的表达水平在花序中最低，在叶片中最高。在开花前一天下午5点到6点，浆片中OsMYC2的表达水平相对较低，而在开花当天上午9点到10点，其表达水平则相对较高，并在即将绽放的花药中进一步表达（上午11点到11点59分；图1c）。这些结果表明，OsMYC2与开花有关。在中国广州的九月初（平均温度约28℃），野生型ZH11大约在上午11点开始开花，而过表达株系OsMYC2-OE1和OsMYC2-OE18则在上午9点半左右开始开花，表明这些株系的DFOT比ZH11提前了大约1.5小时（图2a至c）。为了研究OsMYC2如何通过影响浆片来调控水稻的DFOT，观察了不同时间点浆片的细胞学变化。无论是ZH11还是OsMYC2-OE株系的浆片，在开花前体积增大，开花后体积减小。在开花当天上午8点30分，OsMYC2-OE株系的浆片比ZH11的更大，在上午9点半的开花过程中迅速膨胀（图2d）。到了上午11点，ZH11的浆片在开花期间继续膨胀，而OsMYC2-OE株系的浆片此时开始萎蔫（开花后）。类似地，浆片细胞的大小在开花过程中也发生了变化。在开花前，OsMYC2-OE株系的浆片细胞大小与ZH11相似。然而，在开花时（上午9点半），OsMYC2-OE株系的浆片细胞显著大于ZH11。到了上午11点，当ZH11的花开始开放时，它们的浆片细胞达到最大，而OsMYC2-OE株系的花开始闭合，其浆片细胞开始失水并缩小（图2e和f）。这些结果表明，通过吸水导致浆片细胞早期膨胀，使得OsMYC2-OE株系的DFOT提前。图3. ZH11和OsMYC2过表达植株中的JAs含量进一步调查发现，OsMYC2过表达植株中的内源性OPDA、JA和JA-Ile含量明显高于野生型ZH11（图3），表明OsMYC2的过表达在水稻中促进JA的生物合成，可能通过茉莉酸信号通路促进日间开花。先前的研究显示，茉莉酸信号通过降解JAZ来激活OsMYC2。在这里，发现OsMYC2反过来又促进了JA的生物合成。这些结果提示OsMYC2与JA形成了一个反馈环，放大了JA信号。通过转录组分析，发现了2037个差异表达基因（DEGs），而其中很多DEGs与细胞壁代谢相关。与野生型ZH11相比，五个编码参与细胞壁重塑的酶的基因，在OsMYC2过表达植株的浆片中显著上调（图4a-e）。这些结果表明，OsMYC2通过调控水稻细胞壁中的多糖代谢途径影响DFOT。RT-PCR的分析还显示，OsJMT1（编码茉莉酸羧甲基转移酶）在OsMYC2-OE植株中的表达水平比在ZH11中提高了18.4倍（图4f）。此外，其他JA生物合成相关基因OsAOS1、OsAOC和OsOPR7在OsMYC2-OE植株中分别比在ZH11中的表达水平提高了1.8倍、1.3倍和1.5倍（图4g-i）。这些结果与内源性JA含量的测量结果相一致。而向ZH11植株的穗部喷施了50 mmol/L的MeJA以后约0.5小时，ZH11开始开花，表明JA确实可以促进水稻DFOT的提前。图5. OsMYC2直接调控茉莉酸合成和细胞壁代谢基因的表达综上所述，OsMYC2受JA信号激活，并直接调控与JA生物合成和细胞壁代谢相关的基因的转录。过表达OsMYC2导致浆片细胞内JA含量显著增加，而纤维素和半纤维素含量降低，同时浆片细胞壁软化。这可能促进了浆片的膨胀，从而提早了DFOT。
