山东农业大学王永红课题组鉴定到一个新的水稻分蘖角度调控基因

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-20 17:57

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水稻是我国第二大主粮作物，如何通过水稻株型改良进一步提高水稻产量是科学家和育种家长期关注的焦点。分蘖角度是指水稻最外侧分蘖与垂直线之间的夹角，是水稻株型的重要构成因子，直接影响水稻的种植密度从而决定水稻的群体产量。研究表明水稻分蘖角度与茎的重力反应密切相关。重力反应是指植物感受到重力刺激后重新调整生长方向从而维持各器官与重力方向最适角度的一种现象。植物如何感应重力一直是植物科学研究的难点和热点。经典的淀粉平衡石学说认为植物对重力的感应是通过植物体内富含淀粉的造粉体沉降来实现的，造粉体在重力感应细胞中作为平衡石起到感应重力的作用。在前期研究中，王永红教授团队鉴定到两个作用于经典淀粉平衡石途径的水稻分蘖角度调控因子LAZY2（LA2）和LA3, 它们通过与淀粉合成途径中的关键酶OspPGM形成蛋白复合体参与调控水稻重力感应器官中淀粉的合成，从而调节水稻早期的重力感应，进而调控水稻的重力反应和分蘖角度（New Phytologist, 2021; Plant Biotechnology Journal, 2023）。有意思的是，尽管 la2 和 la3 突变体的重力感应器官中的淀粉粒完全缺失，但突变体的重力反应仅表现为部分缺陷而非完全丧失，分蘖角度也仅表现为适度增大，暗示着水稻中还存在某种不依赖于淀粉平衡石的重力感应途径介导的水稻分蘖角度调控机制。

2024年6月18日， Plant Communications 在线发表了山东农业大学 王永红 教授课题组题为“ LAZY4 acts additively with starch-statolith-dependent gravity-sensing pathway to regulate shoot gravitropism and tiller angle in rice ”的研究论文。王永红教授团队图位克隆到一个新的水稻分蘖角度调控基因 LA4 。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.100943

LA4 编码一个C3H2C3类型的RING锌指E3泛素连接酶，其表达水平受重力刺激诱导。遗传学分析发现， LA4 在调控水稻茎的重力反应和分蘖角度方面与 LA2 和 LA3 表现为加性效性，表明 LA4 通过一种不依赖于淀粉平衡石的重力感应机制来参与调控水稻的分蘖角度。在调控茎的重力反应过程中， LA4 与 LA2 和 LA3 一样，作用于分蘖角度“明星”基因 LA1 的上游。 LA4 介导的不依赖于淀粉平衡石的重力感应途径和 LA3 - LA2 介导的依赖于淀粉平衡石的重力感应机制，在调控水稻茎的重力反应和分蘖角度的过程均依赖于 LA1 介导的生长素不对称分布。两条途径汇聚于 LA1 这一关键节点，共同调节水稻茎的重力反应和分蘖角度。该研究不仅拓宽了对水稻重力感应机制和分蘖角度遗传调控网络的认识，还为进一步解析不依赖于淀粉平衡石的水稻重力感应和分蘖角度调控机制奠定了基础。

图1 LAZY4 基因调控水稻重力反应和分蘖角度的工作模型

山东农业大学生命科学学院 王文广 副教授、浙江农林大学讲师 黄林周 博士、山东农业大学在读博士生 宋宇琪 为该论文的共同第一作者，山东农业大学生命科学学院 王永红 教授为该论文的通讯作者，崖州湾国家重点实验室 李家洋 院士和浙江农林大学 曾大力 教授对本研究给予了大力指导和帮助。该研究得到了“十四五”国家重点研发计划，国家自然科学基金和山东省顶尖人才“一事一议”项目的资助。

山东农业大学王永红课题组鉴定到一个新的水稻分蘖角度调控基因

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