文献分享|Science：擎科基因合成助力中国科研团队破译“复粒稻”百年未解之谜
文摘
科学
2024-06-21 16:04
天津
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文章题目：Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition
发表期刊：Science
影响因子：56.9
发表日期：2024-03-28
DOI:10.1126/science.adk8838
水稻（Oryza sativa）是世界上最重要的粮食作物之一，养活了全球一半以上的人口。它在亚洲、非洲和拉丁美洲的许多国家是主要的食物来源。2024年3月8日，中国农业科学院作物科学研究所童红宁研究员领衔的研究团队在《Science》发表题为“Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition（通过组织特异性油菜素内酯抑制提高水稻穗分枝和籽粒产量）”的研究论文，该研究报道了复粒稻（clustered-spikelet rice，CL)多粒簇形成的机制，揭示了BRD3基因在水稻的二级分枝分生组织中特异性表达，抑制油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）的信号通路，以提高水稻穗分枝和籽粒产量，为培育高产水稻新品种提供了理论基础和新方法。
复粒稻也称簇生稻，是一类具有特殊穗型结构的水稻，在不影响籽粒大小的情况下从一个位置产生多个籽粒，这种特性使复粒稻成为一种具有重要历史意义的种质资源，复粒稻在水稻研究和种植中的潜力引起了科学家的广泛关注，并开展了大量研究。他们将复粒稻和各种普通单粒稻进行杂交，通过构建遗传连锁图谱将控制“复粒性状”的CL基因座定位在6号染色体上的一个较大的区间内，但在过去的百年间一直未克隆到具体基因。研究者假设通过解析CL的分子遗传学可以深入了解穗分枝，并有望揭示籽粒大小和数量之间的权衡问题。观察到缺乏BR的植物显示的弱聚集生长现象表明，BR可能在调控这一特征中发挥作用。理解CL发生的机制可以为我们对BR功能及其在各种物种中控制类似生长模式的认识提供新的视角。克隆CL基因是探索这些可能性的关键第一步。CL能提高穗部分枝和籽粒产量，分枝时间延长导致粒数增加
CL1是典型的CL品种，主要由三粒组成，呈簇状生长。为了便于比较，研究团队利用CL1作为回交亲本，培育了1个非CL品种(NCL1)。然后，从形态、穗长、穗数、抽穗日期、千粒重、产量和品质等方面进行了比较。结果表明，CL性状在作物改良中具有巨大的潜力，也促使研究团队进一步探索其潜在机制，并得出结论，分枝时间延长导致粒数增加，有三种发育现象驱动了CL的形成：更多的SBMs(次级分生组织)的发育、多生SM(小穗分生组织)的启动、缩短的花梗。研究团队对复粒稻种质进行化学诱变，从包含1万份诱变株系、16万个单株的群体中筛选出2份不簇生的突变体株系。继续将这2份不簇生的突变体株系作为对象，通过回交的方式与复粒稻进行杂交，构建了回交群体。结合重测序和关联分析，最终克隆到了导致不簇生突变体的基因 BRD3，其突变导致了簇生特征的丧失。BRD3基因是编码植物类固醇激素油菜素内酯（BRs）的代谢酶基因，BRs广泛参与植物的生长发育过程，包括细胞分裂、伸长、分化以及应对环境胁迫等。BRs在调控水稻的生长形态和产量方面具有关键作用，可正调控籽粒大小，并已被证明可提高作物产量。通过进一步基因组测序发现，非复粒稻（NCL）与复粒稻(CL)存在显著的染色体结构差异，复粒稻基因组中BRD3上游存在倒置、缺失、插入等复杂的染色体结构变异，正是这种变异激活了BRD3的表达，导致BRs减少，是发生簇生的主要原因，也解释了通过传统图位克隆难以克隆到具体基因的原因。![]()
图1. 克隆BRD3基因
作物产量潜力受到籽粒大小和籽粒数等性状之间的权衡制约，比如籽粒数多，籽粒就小。作物育种的本质上是多性状的平衡优化过程，而穗粒数和籽粒大小之间的负相关是育种过程中难以克服的问题之一，也限制了水稻单产量的提升。已有研究表明BRD3过表达以组成性的方式强烈抑制植物的生长和发育，使籽粒变小，植株变矮。而研究团队发现在复粒稻在穗分枝和穗粒数显著增多情况下，对水稻品质和籽粒大小却无影响。研究团队进一步解析了BRs在水稻穗粒数调控中的分子通路。在水稻穗分枝发育过程中，穗部会依次形成不同的分生组织。一般来说，穗的发育从初级分枝分生组织开始（PBM阶段），随后形成二级分枝分生组织（SBM阶段），然后是小穗分生组织（SM阶段）。这些分生组织的持续分化和转化过程最终决定了水稻穗的结构和穗粒数。研究发现，BRD3基因在水稻的二级分枝分生组织中特异性表达，降低了该部位的BRs含量，延迟了二级分枝分生组织向小穗分生组织的转变过程。这一调控作用促进了二级分枝的形成，从而增加了穗粒数，揭示了BRs在水稻穗二级分枝过程中的重要调控作用。正是由于BRs含量仅在二级分枝分生组织中受到抑制，从而避免了BRs减少对籽粒大小的影响。使复粒稻“粒多与粒大可兼得”。![]()
图2.BRs在水稻穗二级分枝过程中的调控示意图
研究团队将BRD3基因所在的CL染色体片段通过反交和自交导入ZH11、9311 、Yixiang1B三个水稻品种中，都显著提高了籽粒数量和单株产量。
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图3.穗长、单株穗数、每穗粒数的比较分析
Gn1a基因作为CKX2的缺陷等位基因，已被确认为水稻籽粒数的关键调控因子，具有高育种价值。为了研究CL是否影响Gn1a的作用，研究使用CRISPR-Cas9在CL1中CKX2进行了编辑，并发现在CL存在的情况下，敲除CKX2仍保留了促进籽粒数的能力，与CL1相比，每株的产量进一步提高了18.3%。该研究结果启发研究团队将CL和Gn1a联合使用，进一步增加产量。通过CL1与R498（中国西南地区广泛栽培的重穗NCL优良品种，携带Gn1a零等位基因）杂交，成功开发出新品种CL5，该新品种在北京、三亚的每穗籽粒数均有显著提高。![]()
图4.CL5实现高产
研究团队通过对普通辣椒 Tianyu 2 (TY2) 与簇椒TY2CL，以及蔷薇科玫瑰属的簇生花“Parkdirektor Riggers”与非簇生花“Angel”进行BR 测量比较发现，和水稻一样，簇生与非簇生之间具有类似的BR 含量变化。因此表明，BR分布可能在调控簇状生长和花序结构方面发挥普遍作用。研究找到关键基因BRD3，揭示了组织特异性地抑制BR含量可只增加穗粒数，而不影响粒重和品质，从而达到籽粒大小和数量的平衡。因此，调控BR分布提供了有效的育种策略，用于精细调节作物性状，最终提高作物产量。未来的研究可以进一步探索其他植物激素的组织特异性调控，以优化不同作物的生长和产量。
擎科生物为本研究合成了用于分析磷酸化修饰位点的突变OsMADS1编码序列，并将其构建到pCAMBIA2300-35S-GFP载体中。![]()
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