揭示水稻粒型和穗粒數協調發育的分子機制

ＴＳＺelisa試劑盒揭示水稻粒型和穗粒數協調發育的分子機制
水稻產量性狀是由多基因控制的復雜數量性狀，容易受到環境變化的影響。水稻產量主要由每株有效分蘗數、每穗粒數和粒重三個因素決定的。水稻的有效分蘗數直接決定了每株的穗數，每穗粒數則是由一級枝梗數目和二級枝梗數目以及枝梗上的小穗數目共同決定的，而水稻種子的粒長、粒寬、粒厚以及籽粒灌漿程度又直接決定了粒重。這三個內部要素之間相輔相成，共同決定水稻的產量。一般而言，影響水稻產量的這些內部要素之間并不是呈現出簡單的累加效應，而是存在一定的負相關性，直接制約了水稻產量的提高。如何破除效應壁壘，突破各個要素之間的相互制約性，找到要素之間相互作用以及維持平衡的結點，成為當前水稻科學研究以及分子設計育種所面臨的一個挑戰。一般而言，植物在進化過程中，種子的大小和種子數量之間也存在著同樣的負相關性，然而植物種子大小和種子數量決定的分子平衡機制卻知之甚少。
在這項研究中，作者篩選出一個粒型增大、粒重增加，但是每穗粒數明顯減少的突變體 gsn1 (grain size and number 1)，并且成功定位克隆了 GSN1 基因。該基因編碼一個定位于細胞質的雙特異性磷酸酶。在秈稻和粳稻背景中，分別抑制 GSN1 的表達可以使得水稻粒型增大、每穗粒數減少；增強 GSN1 的表達使得粒型減小、每穗粒數增加，這表明 GSN1 協調水稻每穗粒數和粒型大小雙重發育過程。體內和體外研究表明，GSN1 蛋白通過與 OsMPK6 互作，對其進行去磷酸化修飾，從而抑制 OsMPK6 的活性。進一步檢測水稻幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平發現，在 gsn1 突變體中 OsMPK6 的磷酸化水平明顯高于野生型，在 GSN1 受抑制的植株幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平也明顯升高，而在 GSN1 過表達的植株幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平明顯降低；此外，在 OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR 和 OsMKKK10CRISPR 植株中 OsMPK6 的磷酸化水平也明顯減弱，表明 OsMPK6 的磷酸化水平對于水稻穗形態建成至關重要。在野生型和 gsn1 背景中分別考察 OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR 和 OsMKKK10CRISPR 的單突變體和雙突變體表型發現：單突變體粒型減小、每穗粒數增多；雙突變體可以回復 gsn1 突變體的表型。這些結果表明，GSN1 通過對 OsMPK6 的去磷酸化，負調控 OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 級聯信號通路。該研究在水稻中鑒定了調控水稻穗型發育的 OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 級聯信號通路，并且證實了 GSN1 是該級聯信號通路的負調控因子。研究結果還表明 GSN1-MAPK 分子模塊通過整合下游的植物激素信號影響局部細胞特化和細胞分裂，從而精細調控水稻每穗粒數和粒型大小之間的協同發育。該研究對于理解禾本科作物花序形態建成以及可塑性的分子調控機理具有重要意義，為作物產量的遺傳改良提供了新的分子模塊和策略。