中国农业科学院水稻研究所联合深圳农业基因组研究所揭示BTA2调控水稻分蘖角度的新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-07-07 17:44

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中国水稻育种历经三次革命，其中超级稻被誉为“第三次革命”。超级稻的成功归功于将理想株型塑造和杂种优势利用相结合的育种路径。分蘖角度作为水稻株型建成的重要决定因子，直接影响水稻的种植密度、群体光合效率及单位面积产量。分蘖角度是一个受多基因控制的复杂农艺性状。目前，克隆出的分蘖角度基因数量较少，其调控网络尚未健全。植物生长方向受到重力的控制，植物的向重力性包括重力感知、信号转导、生长素不对称分布和弯曲生长四个步骤。经典的“生长素不对称分布”假说认为，植物器官的弯曲生长源于生长素的不对称分布。已有研究表明，茎基部生长素含量和不对称分布调控着水稻地上部的重力反应和分蘖角度，但相关的分子机制尚不明朗。

近日，中国农业科学院水稻研究所联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）在 JIPB 上在线发表了题为“ BTA2 regulates tiller angle and the shoot gravity response through controlling auxin content and distribution in rice”的研究论文 ( https://doi.org/10.1111/jipb.13726 )。该研究基于水稻超级泛基因组挖掘分蘖角度基因新等位变异，揭示水稻分蘖角度调控的新机制。

该研究团队通过正向遗传学方法筛选到一个分蘖角度显著增大的水稻突变体，利用图位克隆、CRISPR/Cas9基因敲除、基因过表达和遗传互补实验，确认了水稻 BTA2 基因缺失是导致分蘖角度增大表型的原因。研究发现， BTA2 基因缺失导致茎基部生长素含量显著下降及其不对称分布的破坏，从而减弱了地上部的向重力性，导致突变体的分蘖角度显著增加。通过酵母双杂交、BiFC、Pull-down和Co-IP实验，研究团队证明BTA2与生长素响应因子ARF7直接互作，二者共同参与调控水稻的向重性反应和分蘖角度。BTA2蛋白在进化过程中高度保守。通过对 BTA2 基因的单倍型分析发现， BTA2 启动子区域在水稻驯化过程中受到了选择，形成了两种主要单倍型 BTA2 ^L 和 BTA2 ^C ，其中 BTA2 ^L 主要存在于籼稻， BTA2 ^C 主要存在于粳稻。qRT-PCR和启动子LUC活性分析结果表明， BTA2 ^L 单倍型的表达量显著低于 BTA2 ^C 单倍型，导致具有 BTA2 ^L 单倍型的籼稻品种拥有更大的分蘖角度。进一步研究发现，在籼稻品种黄华占的背景下过表达 BTA2 在适度密植条件下能够显著提高产量。综上所述本研究揭示了 BTA2 通过调控生长素的含量和分布来调节重力响应和分蘖角度的分子机制，为明确水稻分蘖角度的分子调控途径和株型遗传改良提供了理论依据和基因资源。

图1. BTA2调控水稻分蘖角度的工作模型

中国水稻研究所已毕业联培博士生李振、已毕业博士生 叶俊华 和中国农业科学院深圳农业基因组研究所助理研究员 袁巧玲 为论文并列第一作者，中国农业科学院中国水稻研究所冯跃副研究员、 杨窑龙 副研究员和中国农业科学院深圳农业基因组研究所 商连光 研究员为论文的共同通讯作者，中国农业大学 谭禄宾 教授、中国水稻研究所张健研究员、广西大学金健教授等为该研究提供了指导和帮助。该研究得到了海南省自然科学基金、国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。

参考文献：

Ye, J., Zhang, M., Yuan, X., Hu, D., Zhang, Y., Xu, S., Li, Z., Li, R., Liu, J., Sun, Y. and Wang, S. (2022). Genomic insight into genetic changes and shaping of major inbred rice cultivars in China. New Phytol. 236 : 2311–2326.

Shang, L., Li, X., He, H., Yuan, Q., Song, Y., Wei, Z., Lin, H., Hu, M., Zhao, F., Zhang, C., et al. (2022). A super pan-genomic landscape of rice. Cell Res. 32: 878–896.

文章引用：

Li, Z., Ye, J., Yuan, Q., Zhang, M., Wang, X., Wang, J., Wang, T., Qian, H., Wei, X., Yang, Y., Shang, L., and Feng, Y. (2024). BTA2 regulates tiller angle and the shoot gravity response through controlling auxin content and distribution in rice. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.137126

中国农业科学院水稻研究所联合深圳农业基因组研究所揭示BTA2调控水稻分蘖角度的新机制

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