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王英典教授课题组揭示水稻维持初次级颖果发育差异的新机制
  遗传发育所  2020-11-05  浏览次数:

        水稻是我国乃至全世界重要的粮食作物之一,全世界约三分之二人口以稻米为主要食物。近五十年来杂交稻和超级稻的培育及推广应用为全世界水稻产量增加两倍到三倍提供了技术保障。然而,由于着生在水稻初级和次级枝梗上的颖果发育状态的不同,极大地限制了水稻产量潜力的进一步实现,特别是在杂交稻和超级稻中这个问题尤为严重。大量研究表明,与着生在初级枝梗上的初级颖果相比,着生在次级枝梗上的次级颖果存在开花时期晚、胚乳细胞增殖速率低、灌浆速率差及充实率低等特点。因此,挖掘决定初次级颖果发育差异的关键因素并探索其作用机制将对我国乃至全世界的粮食安全保障具有重要意义。

        本研究首先利用高通量测序技术结合生物信息学分析手段对水稻开花后四个不同发育阶段(开花后第0、5、12和20天)的初次级颖果材料进行转录组比较分析,采用“存同求异”的基因挖掘策略,发现了三个在水稻初级颖果0天和次级颖果5天特异高表达的关键基因,并对其中一个基因OsAsp1(编码一种天冬氨酸蛋白酶的基因)进行后续研究。水稻T-DNA插入突变体asp1表现出纯合致死及杂合消除了初次级颖果发育差异的发育特征,而且其中一个杂合突变体asp1-1+/–表现出次级颖果发育加快,干重达到初级颖果的水平。进一步研究发现,OsAsp1通过负调控生长素合成基因OsTAA1的转录抑制因子1(OsTAA1 inhibition factor, OsTIF1)的表达,以调控生长素的合成。同时,OsTIF1与OsAsp1存在相互作用,而且IAA通过解除二者互作,并促进OsTIF1从内质网转移到细胞核,反馈调控颖果中IAA水平确保生长素在初次级颖果中的顶端分布优势。最后,我们还发现生长素通过另一转录因子MADS29促进OsAsp1的转录,以维持开花当天OsAsp1在初级颖果中的高表达。由此,我们提出了生长素-MADS29-OsAsp1/OsTIF1-OsTAA1-生长素的调控模型以调控生长素在初次级颖果中水平差异以维持初次级颖果发育差异的新模型。

        该研究以“Auxin apical dominance governed by the OsAsp1-OsTIF1 complex determines distinctive rice caryopses development on different branches”为题,于2020年10月27日在PLoS Genetics在线发表。北京师范大学生命科学学院已毕业博士研究生昌姝为第一作者王英典教授和韩生成教授为共同通讯作者

        原文链接:https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009157