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遗传发育所发现糖信号通过影响ABA信号传导调节

2019-09-20 23:33

近年来由于极端气候频繁出现,作物穗发芽现象已呈现普遍递增的态势,即使在黑龙江寒带水稻生产区,穗发芽也呈现上升势头。穗发芽是影响水稻、小麦等主要农作物产量和品质的重要因素之一。为此中国科学院东北地理与农业生态研究所与东北农业大学等单位合作,在黑龙江省杰出青年基金及国家重点研发计划的资助下,成功鉴定克隆了两个水稻钼辅因子合成基因,并揭示MoCo合成途径在调节水稻穗发芽及胁迫耐受性过程中发挥关键作用。

水稻、小麦等禾谷类作物是世界上重要的粮食作物,部分栽培品种由于缺少收获期休眠,收获前籽粒遇到高温高湿等外界条件在穗上会发生胎萌或穗发芽(Pre-harvest sprouting,PHS)现象。穗发芽不仅造成粮食作物的减产,也会导致食用品质的下降,更重要的是,严重影响了制种的质量。因此,穗发芽是影响粮食作物生产的重要灾害。研究穗发芽的发生机制,并通过遗传改良的方式来提高栽培品种的穗发芽抗性是解决这一问题的可行方法。 中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室储成才团队一直致力于水稻穗发芽分子机制研究,通过大规模突变体系统筛选,获得了一系列影响水稻穗发芽突变体,并已报道了植物激素脱落酸合成途径基因的突变体(phs1phs7)都表现出穗发芽的表型(Fang et al., 2008; Fang and Chu 2008)。在这一系列突变体中有一个糖化胚乳的穗发芽突变体phs8。图位克隆表明,PHS8编码一个水稻异淀粉酶,研究结果表明PHS8的突变导致胚乳中小分子糖的积累,从而抑制ABA信号通路中两个重要转录因子OsABI3和OsABI5的表达,导致了穗发芽表型。过表达OsABI3OsABI5可以部分恢复phs8突变体穗发芽表型。该研究揭示了胚乳中的糖信号分子通过影响ABA信号传导来调节种子休眠和萌发的重要作用。 更为有意思的是,ISA1位于已报道的控制水稻种子休眠和穗发芽的QTL区段,同时,通过对1529份水稻品种的群体遗传学分析发现,ISA1位点在籼稻中受到选择,暗示ISA1在水稻穗发芽改良中具有重要作用。 这一研究结果于5月18日在线发表于The Plant Journal 杂志(DOI:10.1111/tpj.13970)。储成才研究组已毕业博士研究生杜琳、徐凡和方军为该论文共同第一作者。该研究得到中科院前沿科学重点研究计划资助。图片 1图: phs8突变体穗发芽表型及其ISA1影响穗发芽的调控机制

东北地理所水稻分子育种学科组研究员方军前期通过大规模的筛选,获得一系列水稻穗发芽突变体,并克隆了其中的PHS1-PHS4PHS8基因(Plant J, 2008、Plant J,2018)。本次研究证明了MoCo合成基因OsCNX1OsCNX6 的突变最终导致了穗发芽及纯合致死。OsCNX6 编码MoCo合成蛋白2大亚基,该基因的突变导致黄嘌呤脱氢酶、醛氧化酶、硝酸还原酶及亚硫酸盐氧化酶等四种钼酶活性显著降低。通过分析基因表达模式,表明OsCNX6在水稻的叶片、茎秆、胚乳等部位均有表达。进一步过量表达该基因的转基因水稻没有出现不利的农艺性状,而植株对渗透和盐胁迫的抗性有了显著提高。这一研究不仅揭示了MoCo合成基因对水稻生长发育的重要作用,同时也为水稻抗逆育种提供了新的研究思路和视角,具有重要的理论和应用价值。

该研究成果于11月24日在线发表于New Phytologist 杂志。东北农业大学农学院讲师刘鑫与东北地理所博士后王晶为该论文共同第一作者。方军为论文通讯作者。

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