2021年2月浙江大学徐建红教授团队在Plant Science上发表了题为MiR529a controls plant height, tiller number, panicle architecture and grain size by regulating SPL target genes in rice (Oryza sativa L.)的论文。作者发现水稻在苗期时，miR529a调控OsSPL2、OsSPL17和OsSPL18的表达，但其控制株高的机制较为复杂。分蘖期时，miR529a调控OsSPL2、OsSPL16、OsSPL17和OsSPL18的表达以控制株高和分蘖数，通过调控OsSPL2、OsSPL7、OsSPL14、OsSPL16、OsSPL17和OsSPL18的表达来控制穗结构和籽粒大小。本研究表明，miR529a可能通过在不同阶段调节不同的SPL靶基因来控制水稻的生长发育，这为通过调控miR529a及其SPL靶基因来提高水稻产量提供了新的方法。![]()
=== 研究背景 ===
水稻是世界上最重要的粮食作物之一。选育高产、多抗、优质品种一直是水稻育种的目标。水稻株高、茎粗、分蘖数、每穗粒数和粒形是产量的构成因素，受到遗传和环境因素的调控，包括miRNA、转录因子和下游靶基因。SPL基因家族是植物中保守的转录因子，在水稻生长发育过程中具有多种功能。前期研究表明，SPL转录因子可以控制水稻的分蘖、穗结构和籽粒大小，这些转录因子受miR156、miR529和miR535的调控。# 思维导图：
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=== 研究结果 ===
1.MiR529a影响水稻幼苗长度
为了探讨miR529a在水稻中的功能，作者获得了了miR529a过表达和miR529a-MIMIC转基因植株。两周后，miR529a-OE和miR529aMIMIC转基因植株显著矮于野生型（WT），但miR529a-OE和miR529a-MIMIC植株之间没有显著差异（图1A和B）。为了验证幼苗长度的差异是否由miR529a引起，作者使用qRT-PCR的数据来表现叶片中miR529a的表达情况。结果显示，与WT相比，miR529a-OE中miR529a的表达量增加，而miR529-MIMIC中的表达量减少（图1C）。由于miR529a与miR156共享五个共同的SPL靶基因，因此还研究了miR156及其五个SPL靶基因的表达。在miR529a-OE和WT中miR156的表达没有显著差异，但miR529a-MIMIC中表达显著降低（图1C）。靶基因数据显示，OsSPL2、OsSPL17和OsSPL18的表达量远高于OsSPL14和OsSPL16。在miR529a-OE和miR529aMIMIC中OsSPL2和OsSPL18的表达均降低。OsSPL17在miR529a-OE中的表达量显著低于WT，而在miR529a-MIMIC中则相反（图1D）。作者还测量了其余14个非靶向SPL基因的表达，其中6个SPL基因在miR529a-OE和/或miR529a-MIMIC显著下调。（图S2）。这些结果表明，在苗期，miR529a-OE和miR529a-MIMIC幼苗长度的减少可能不仅是由于miR529a控制的靶基因OsSPL2、OsSPL17和OsSPL18表达减少所致，还与其他转录调控因子有关。![]()
图1 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的植物表型以及miR529a、miR156及其靶基因的表达水平。A：miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的植物表型。B：miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植物在两周苗期的株高。C：miR156和miR529a的表达水平。D：miR529a的靶基因的表达水平。![]()
图S2 14个非miR529a SPL靶基因在种子期的表达水平。
与苗期不同，分蘖期miR529a-MIMIC的株高逐渐超过WT，而miR529aOE的株高显著低于WT（图2A和B）。MiR529a-OE植株的分蘖多于WT，而miR529-MIMIC植株的分蘖显著少于WT（图2C和D）。作者还发现miR529-OE植株的叶子比WT窄，而miR529a-MIMIC相反（图2E）。与前文相同，在叶片中测量了miR529a和miR156及其SPL靶基因的表达。MiR529a-OE中miR529a的表达量比WT中高，而miR156则相反（图3A）。OsSPL2、OsSPL14、OsSPL16、OsSPL17和OsSPL18这5个靶基因在miR529a-OE中的表达量均低于miR529a-MIMIC。这可能是导致植株表型差异的原因。
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图2 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植株分蘖期表型及相关性状统计。分蘖期miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的全株(A)、分蘖(B)和叶(E)表型。分蘖期miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植株的株高(C)和分蘖数(D)测量。
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图3 分蘖期miR529a、miR156及其靶基因的表达量。A：miR156和miR529a的表达；B：SPL靶基因的表达。
为了进一步探究水稻表型的差异，作者观察到在成熟期，WT的株高显著高于miR529-OE，但略短于miR529a-MIMIC（图4A）。为了了解原因，作者对它们的主干进行了研究。结果表明，miR529a-OE的穗长和茎节I、II、IV节最短，miR529a-MIMIC的穗长和茎节I、II、III节最长（图4B和C），这导致miR529a-OE植株最低，而miR529aMIMIC植株最高（图4B和C）。作者还发现除了茎的长度外，茎的厚度也受miR529a的影响。MiR529-OE植物的茎最细，miR529a-MIMIC的茎最粗（图4A）。茎横切面观察结果表明，miR529a-OE植株的维管束、韧皮部和木质部导管的平均面积均小于WT，但miR529a-MIMIC植物中却呈现相反的表型（图5）。作者推测miR529a通过影响茎部维管束、韧皮部和木质部的大小，从而影响水稻茎部的横向发育。由于维管组织的发育对蒸腾和气体交换有关，作者还测量了蒸腾速率、气孔导度和细胞间二氧化碳浓度，结果显示，miR529a-OE植物的蒸腾速率和气孔导度显著低于WT，而miR529a-MIMIC则相反（图6A和B）。MiR529a-OE植物的细胞间二氧化碳浓度显著高于WT，而miR529a-MIMIC显著低于WT（图6C）。![]()
图4 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植株成熟期表型及相关性状统计。A：miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植物的茎表型。B：成熟期miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的植物表型。C：穗长和茎节的统计。![]()
图5 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植物的茎切片。miR529a-OE(A,D)、miR529a-MIMIC(B,E)和WT(C,F)植物成熟期茎的电子显微镜图像。miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植株维管束面积(G)、木质部导管面积(H)和韧皮部面积(I)的统计。
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图6 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植物叶片蒸腾速率（A）、气孔导度（B）、细胞间二氧化碳浓度（C）统计。
4.MiR529a影响水稻的穗结构和籽粒大小
先前的研究表明，miR529a的过度表达通过靶向调控OsSPL2、OsSPL14和OsSPL17来影响穗结构，从而在miR529a-OE植物的穗分枝和每穗粒数比WT少，而miR529a-MIMIC植物则相反（图7A，D和E）。同时miR529a过表达和抑制转基因植物种子变窄，千粒重较少，而miR529a-OE中粒长增加，而miR529a-MIMIC中粒长减少（图7A和B）。这些结果表明，过表达miR529a可以使穗粒变窄，而抑制miR529a可以使穗粒变窄和变短。为了了解miR529a、miR156及其SPL靶基因在其中的作用，作者检测长度为3mm（P3mm）、30mm（P30mm）、70mm（P70mm）幼穗中miR529a、miR156及其SPL靶基因的表达量。两种转基因植株和WT中的miR156随着幼穗的发育而不断增加（图8A）。作者发现miR156的表达量远低于miR529a（图8A），表明miR529a在幼穗发育过程中对靶基因的调控发挥主导作用。在WT中，OsSPL7、OsSPL14和OsSPL17的表达量在P3mm中最高，在P70mm中最低，而OsSPL2和OsSPL16则具有相反的趋势（图8B）。作者推测miR529a可能的靶基因在幼穗期的表达模式不同，OsSPL2和OsSPL16倾向于在后期表达，而OsSPL7、OsSPL14和OsSPL17则在早期表达。为了进一步阐明miR529a调控的SPL靶基因，作者通过qRT-PCR验证了6个SPL基因的表达水平。结果显示，P3mm阶段miR529-OE中OsSPL7和OsSPL17的表达量下降，OsSPL2的表达量增加（图8C-H）。而在miR529a-MIMIC中，只有OsSPL2和OsSPL7的表达增加（图8C和D）。在P30mm阶段，只有OsSPL16和OsSPL18在miR529a-MIMIC中表达增加（图8F和H）。与WT相比，在P70mm阶段，OsSPL2和OsSPL14的表达在miR529-OE中降低，而OsSPL2在miR529a-MIMIC中的表达增加（图8C和E）。所有结果显示在幼穗发育过程中，miR529a改变了P3mm阶段的OsSPL2、OsSPL7和OsSPL17，P30mm阶段的OsSPL16和OsSPL18以及P70mm阶段的OsSPL2和OsSPL14的表达（图8）。![]()
图7 miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT植物的表型。成熟期miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的圆锥花序(A)、粒宽(B)和粒长(C)表型。成熟阶段miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT中的穗分枝数(D)和每穗粒数(E)。![]()
图8 幼穗期miR529a、miR156及其靶基因的表达量。A：miR529a和miR156的表达。B：目的基因在WT植株穗长3mm、30mm、70mm中的表达情况。C（OsSPL2）、D（OsSPL7）、E（OsSPL14）、F.（OsSPL16）、G（OsSPL17）和H（OsSPL18）在miR529a-OE、miR529a-MIMIC和WT的穗长3mm、30mm和70mm中的表达。
=== 总结 ===
本研究发现在水稻的幼穗期，miR529a在不同阶段分别调控OsSPL2、OsSPL7、OsSPL14、OsSPL16、OsSPL17和OsSPL18来影响幼穗的发育。在分蘖期，OsSPL2、OsSPL16、OsSPL17和OsSPL18受到miR529a的调节，以控制株高和分蘖数。许多研究结果表明，miR156、miR529和miR535通过调节水稻不同阶段的不同SPL靶基因来调节株高、分蘖数、穗结构和籽粒大小。这些都为未来水稻育种提供了新的思路和方法。
------------------------------原文链接（点击“阅读原文”）
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