近日，Plant Biotechnology Journal 杂志在线发表了中国农业大学 张战营/张洪亮 课题组题为“Natural variation in the Tn1a promoter regulates tillering in rice”的研究论文。利用水稻不同生长阶段分蘖数的全基因组关联分析，该研究挖掘到一个新的水稻分蘖调控基因 Tiller number 1a (Tn1a)，发现并解析了其土壤环境适应性的遗传基础，评估了该基因的优异变异，开发了分子标记辅助育种设计与选择。
水稻的分蘖力是水稻穗数的基础，是影响产量的重要性状。发掘稻种资源中调控水稻分蘖和穗数的基因，解析其遗传机制，挖掘并评估种质资源中优异的育种价值，对于进一步改良水稻品种的单产水平，缓解人口不断增加和可利用耕地面积不断减少的矛盾，从而保障我国的粮食安全以及提高人民生活水平具有重要意义。
研究团队对377份水稻种质材料在不同时期的分蘖数进行全基因组关联（GWAS）分析的基础上，在插秧后30天、45天和抽穗期均能鉴定到一个QTL位点 qTn1.7（7.84-7.92 Mb），结合QTL位点内注释基因的生物信息、单倍型及表达分析确定了其候选基因 Tn1a。该基因编码一个包含C2结构域的膜蛋白，对其转基因功能验证表明负向调控水稻分蘖（图1）。
图 1 Tn1a 负向调控水稻分蘖
通过单倍型、表达和互补分析确定了 Tn1a 在种质材料中的功能自然变异。首先，选择 Tn1a 启动子上 GWAS 信号显著的 SNP、一个 272 bp indel 及编码区的非同义 SNP，分析了Tn1a 在 463 份栽培稻和 71 份野生稻中的单倍型（图2a），结果发现，籼稻中，Tn1a 启动子272 bp 插入（+272 bp）的品种的分蘖数显著高于 272 bp 缺失（-272 bp）的品种。其次，表达分析表明 +272 bp 显著降低了 Tn1a 的启动子活性及基因表达水平（图2b-e）。另外，利用启动子和编码区均与日本晴（Nip）有差异的台山糯（TSN，-272 bp）构建了不同类型的互补载体。对 Nip 背景下各互补载体的转基因系的表型分析发现, 携带 TSN 启动子的互补株系中 Tn1a 的表达量高于携带 Nip 启动子的互补系，而分蘖数显著降低；然而，携带Nip 启动子的互补系与 Nip 相比在分蘖数上无明显差异（图2f-h）。可见，Tn1a 启动子区 272 bp indel 参与调控水稻的分蘖表型变异。
图 2 启动子 272 bp 插入抑制 Tn1a 表达促进分蘖
研究团队通过酵母双杂交（Y2H）等鉴定并验证了 Tn1a 的互作蛋白 OsCCC1（图3a-c）。OsCCC1是一个K+/Cl-共转运蛋白，该蛋白参与了水稻分蘖的正向调控(Chen et al., 2016)。在 OsCCC1 表达水平一致的水稻原生质体中，Tn1a 显著抑制了 OsCCC1 的蛋白含量（图3d-e）。研究人员探究了Nip 和 Tn1a 基因敲除突变体 tn1a-1 在1000、500、100和0 µm K+ 条件下的第二分蘖芽长度和植株生长情况，发现K+缺乏对 Nip 和 tn1a-1 突变体的分蘖芽长度均具有明显的抑制作用，但是对 Nip 的抑制作用更强（图3f-h）。因此，Tn1a 通过与 OsCCC1 的蛋白互作来改变细胞内K+含量并抑制分蘖芽伸长。
图 3 Tn1a 与 OsCCC1互作，影响胞内K+含量
由于 Tn1a 通过改变细胞内 K+含量来调节水稻的生长发育，并且前期的单倍型分析显示，272 bp 缺失和 272 bp 插入分别主要出现在籼稻和粳稻亚群中，而粳稻亚群主要在中国北方种植，籼稻亚群主要在南方种植，研究团队继续探究了Tn1a 在两个水稻亚群中的等位基因分布与其环境适应性的关系。通过比较不同地区 Tn1a 等位基因频率和土壤K+含量发现，在籼稻亚群中，华南地区 Tn1a+272 bp 等位基因的比例（28%，12/43）显著高于华东地区（10%，3/31）和西南地区（6%，2/33），与土壤K+含量呈负相关，华南地区的土壤 K+含量显著低于其他两个地区。粳稻亚群也得到了类似的结果，华中地区Tn1a+272 bp 等位基因的比例（90%，9/10）高于东北地区（79%，15/19），但是其土壤 K+ 含量低于东北地区（图4a）。这些发现表明，Tn1a+272 bp 等位基因可能促进了水稻品种对贫钾土壤的适应性。
图 4 Tn1a+272 bp提高了水稻对低钾的适应性
结论与讨论
综上，该研究鉴定了新的水稻分蘖数调控基因Tn1a，并解析了其优良等位变异Tn1a+272 bp参与调控分蘖及土壤钾适应性的调控机理，为水稻品种的遗传改良提供了优异的基因资源。
中国农业大学农学院已毕业博士生 杨涛 和 马小倩 为论文第一作者，中国农业大学农学院 张战营 副教授和中国农业大学农学院/海南大学三亚南繁研究院/中国农业大学三亚研究院 张洪亮 教授为论文的通讯作者。贵州大学 方中明 教授和云南大学 胡凤益 教授为本研究提供了重要材料。该研究得到了国家自然科学基金面上项目(31971922)、十四五重点研发计划和广西农科院开放课题等项目的资助。
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