華南農大劉耀光院士團隊揭示水稻抽穗期感光性演變的分子機制

New Phytologist 華南農大劉耀光院士團隊揭示水稻抽穗期感光性演變的分子機制

責編 | 奕梵

2020年10月22日，華南農業大學、亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室劉耀光院士團隊在New Phytologist在線發表了題為Strong Photoperiod Sensitivity is Controlled by Cooperation and Competition among Hd1, Ghd7 and DTH8 in Rice Heading 的研究論文，揭示了水稻抽穗期感光性演變的分子機制。

植物的感光性主要由長日與短日條件下的抽穗期差異決定。水稻為短日照植物，古老的水稻適應南方短日環境，具有強感光性，即在長日季節不抽穗，在短日季節才抽穗開花。在人工選擇的作用下，許多現代水稻品種具有較弱感光性，可以在更高緯度地區（更長日長條件）種植而抽穗結實，使水稻適應於更廣大區域的種植。以前的研究發現，水稻的抽穗期感光性涉及多個主效基因如Hd1，Ghd7，DTH8（簡稱H，G，D）。然而，這些基因是怎樣協同作用來調控抽穗期感光性的機制尚不清楚。

該研究從一份強感光的水稻材料的遺傳分析入手，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，創建了相同遺傳背景下H, G, D不同功能組合的8種基因型材料，即三個基因都有功能的HGD，兩個基因有功能的hGD，HgD，HdG，單基因功能的Hgd, hGd, hgD，和三基因都沒有功能的hgd。在同一個生長季節觀察了這些材料在自然短日，人工短日和人工長日處理下的抽穗期和感光性。發現無論日長如何，Hd1（Hgd）單基因都促進抽穗，而Ghd7（hGd）單基因抑制抽穗。然而，長日下這些攜帶雙基因或三基因組合的材料中存在基因間的分子互作，其蛋白形成不同的抑制複合體，從而部分抑制（雙基因）或完全沉默（三基因）Ehd1-Hd3a/RFT1開花通路，產生不同程度的延遲抽穗或不抽穗。而短日下，Ghd7的表達很低，Hd1的原始促進作用與抑制複合體之間表現出競爭的關係，可以不同程度地促進抽穗。

(A) 8種基因型植株在人工短日（ASD），自然短日（NSD）和人工長日（ALD）條件下的表型；(B) 8種基因型植株在三種日長條件下的抽穗期（DTH）和感光指數（mPSI）

基於以上結果，該研究揭示出HGD三基因的感光性最強，雙基因組合感光性中等，單基因和hgd感光性最弱的感光性演變規律。進一步研究發現，我國不同地域水稻品種的感光性強弱與這三個基因的不同組合也符合這種對應關係：華南地區攜帶功能型HGD組合的部分農家品種（晚稻品種）具有強感光性，而早稻品種為非HGD組合具有較弱感光性；華中地區的部分粳稻品種攜帶HGD而有較強的感光性，而華北和東北地區的水稻品種都是非HGD組合，只有弱感光性。

Hd1、Ghd7和DTH8間的遺傳分子互作與感光性變化的模型

綜上所述，該研究構建了HGD三基因間的遺傳互作與感光性演變的框架，有助於深入研究它們之間協作和競爭的分子調控機制，並且為培育具有不同感光性、適應不同區域種植的水稻新品種提供了理論依據。

華南農業大學博士研究生宗伍輩和任丁為論文共同第一作者，郭晶心研究員和劉耀光院士為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發和國家自然科學基金的資助。

文章連結:

http://dx.doi.org/10.1111/nph.16946