黄花草内酯功率信号转导分子机制切磋收获新进展

分蘖角度是禾本科植物的分蘖与主茎之间的夹角,与作物群体产量密切相关。解析水稻分蘖角度调控的分子机制对于改良水稻株型进而提高产量具有重要的理论意义和应用价值。长期以来,研究人员主要通过遗传学手段发掘了调控水稻分蘖角度的主效QTL和调控基因。然而,分蘖角度是一个复杂的农艺性状,受到多种因素的共同调控,面对一些更具应用潜力的微效基因,单纯依靠传统的遗传学方法进行克隆非常困难。因此,寻求挖掘水稻分蘖角度调控基因的新方法成为了该领域亟待解决的重要问题。

独脚金内酯是一种新型的植物激素,在植物株型建成中发挥重要作用,能作为长距离信号分子抑制植物侧芽的伸长进而抑制分枝的产生,对其信号途径的研究具有重要的科学意义和应用价值。

独脚金内酯信号转导分子机制研究取得新进展

研究表明,水稻分蘖角度的形成与重力反应密切相关。中国科学院遗传与发育生物学研究所王永红团队与李家洋团队合作,以重力反应为切入点,结合RNA-seq技术和生物信息学方法,通过研究水稻茎重力反应过程中的动态转录组变化,探索出了一条挖掘水稻分蘖角度调控基因以及调控通路的有效途径,为该领域的研究提供了新思路。在该研究中,基于水稻茎重力反应过程中的高分辨率动态转录组变化,揭示了一条水稻分蘖角度调控的核心途径。其中,HEAT
STRESS TRANSCRIPTIONAL FACTOR 2D

HSFA2D)是一个重力反应早期响应基因,该基因通过影响LAZY1基因(Li et
al., 2007)的表达调控生长素在茎基部的不对称分布,进而诱导WUSCHEL
RELATED
HOMEOBOX6
WOX6)和WOX11在水稻茎基部呈现不对称表达。研究表明,水稻WOX6
WOX11很可能是分蘖角度调控途径中的核心转录因子。该研究不仅在重力反应、生长素和水稻分蘖角度之间建立了直接的分子联系,同时也为系统解析水稻分蘖角度的调控网络进而挖掘有利用价值的基因提供了重要信息。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组与合作者长期从事水稻株型建成分子机制的研究,对理想株型以及独脚金内酯的合成及信号转导进行了系统深入的解析。此前他们克隆了水稻理想株型的主效基因IPA1(Ideal
Plant Architecture
1),证明其编码一个含有SBP-box结构域的转录因子,调控多个生长发育过程,对水稻产量具有重要影响(Jiao
et al., Nat Genet,
2010),且在育种中增产效果显著。同时,他们鉴定了独脚金内酯信号通路中关键的负调控因子Dwarf
53 ,解析了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制 (Jiang et al.,
Nature,
2013)。最新的研究表明,IPA1功能缺失突变体表现出分蘖数增多的表型,且对外源施加的独脚金内酯人工合成类似物rac-GR24不敏感;D53蛋白可直接与IPA1蛋白相互作用,抑制IPA1的转录激活活性,从而抑制下游基因表达。此外,还发现IPA1能直接结合D53的启动子并激活D53基因的表达,从而形成负反馈调节。该研究结果揭示了IPA1即是长期寻找的D53下游的转录因子,参与独脚金内酯信号途径,并直接受到D53的调控。

独脚金内酯是一种新型的植物激素,在植物株型建成中发挥重要作用,能作为长距离信号分子抑制植物侧芽的伸长进而抑制分枝的产生,对其信号途径的研究具有重要的科学意义和应用价值。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组与合作者长期从事水稻株型建成分子机制的研究,对理想株型以及独脚金内酯的合成及信号转导进行了系统深入的解析。此前他们克隆了水稻理想株型的主效基因IPA1(Ideal
Plant Architecture
1),证明其编码一个含有SBP-box结构域的转录因子,调控多个生长发育过程,对水稻产量具有重要影响(Jiao
et al., Nat Genet,
2010),且在育种中增产效果显著。同时,他们鉴定了独脚金内酯信号通路中关键的负调控因子Dwarf
53
(D53),解析了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制(Jiang et al.,
Nature,
2013)。最新的研究表明,IPA1功能缺失突变体表现出分蘖数增多的表型,且对外源施加的独脚金内酯人工合成类似物rac-GR24不敏感;D53蛋白可直接与IPA1蛋白相互作用,抑制IPA1的转录激活活性,从而抑制下游基因表达。此外,还发现IPA1能直接结合D53的启动子并激活D53基因的表达,从而形成负反馈调节。该研究结果揭示了IPA1即是长期寻找的D53下游的转录因子,参与独脚金内酯信号途径,并直接受到D53的调控。研究成果于2017年8月15日在Cell
Research杂志在线发表(DOI:
10.1038/cr.2017.102)。李家洋研究组博士后宋晓光、已毕业的博士研究生路则府和副研究员余泓为该论文的共同第一作者,李家洋研究员为通讯作者。合作者主要包括中科院遗传发育所的王永红研究员、中国农业科学院作物科学研究所的刘春明研究员和华南师范大学的李洪清教授。该研究得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金项目和中国科学院先导A项目的资助。