Plant Cell|生物鐘整合糖反應和獨腳金內酯途徑調節分櫱和穗發育

2020-08-28 eplants


2020年8月15日，國際學術期刊The Plant Cell 在線報導了美國德州大學的Z. Jeffrey Chen 教授團隊的題為Rice Circadian Clock Regulates Tiller Growth and Panicle Development Through Strigolactone Signaling and Sugar Sensing 的研究論文。該研究報告了一個調節環路，涉及生物鐘、糖和獨腳金內脂途徑來調節水稻分櫱芽和穗部的發育。生物鐘整合糖反應和獨腳金內酯途徑來調節分櫱和穗部發育，為改善水稻和其他糧食作物的植株結構和產量提供了新的見解。

水稻(Oryza sativa)作為世界上最主要的糧食作物之一, 對其主要農藝性狀調控機理的研究具有重要意義。分櫱是水稻生長發育過程中一種特殊的分枝, 它不僅是與水稻產量密切相關的重要農藝性狀, 也是揭示高等植物側枝生長發育機制的理想模型。分櫱是由生理和遺傳因素共同介導的。其中，植物激素獨腳金內酯（Strigolactones，SL），在植株根部合成， 由根向上運輸到莖， 從而抑制水稻分櫱。其中 D27、D17、D10 及 OsMAX1 ( Os900、Os1400 )介導了SL的合成, D3、D14、D53調控了SL信號。OsTB1/FC1是SL的下遊響應因子, 其表達受D53抑制, 又可以與OsMADS57互作反饋調節D14的表達。最近在擬南芥中的兩項研究表明，FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL 3 (FHY3) 及其類似的遠紅受損反應1(FAR1)調控光誘導的生物鐘基因的表達(Liu et al., 2020)；FHY3和FAR1整合光和獨腳金內脂信號來促進新梢分枝(XIE 等人，2020)。然而，生物鐘如何與獨腳金內酯途徑相互作用來調節水稻分櫱在很大程度上還不清楚。


同時，生物鐘調節植物和動物的生長和發育，但人們對生物鐘在作物生產中的作用知之甚少。研究發現，在OsPRR1啟動子控制下改變內源OsCCA1的表達會影響水稻的株高和分櫱數(Chaudhury et al,，2019年)。然而，生物鐘基因調控水稻分櫱和穗部發育的分子基礎尚不清楚。


為了研究生物鐘、糖和獨腳金內酯在水稻分櫱和穗部發育中的作用，作者建立了OsCCA1-或OsPRR1-過表達(OsCCA1-OE或OsPPR1-OE)和反義抑制(OsCCA1-AS或OsPRR1-AS)株系，以及CRISPR/Cas9編輯的突變體 (osca1和osprr1)。發現OsCCA1對分櫱有負作用，對穗部發育有正作用。OsCCA1預測的靶點包括許多參與Strigolacone途徑的關鍵基因，包括OsTB1、D10、D14和IPA1，OsCCA1直接與它們的啟動子結合併正向調節它們的表達。使用雙突變體和上位性測試的遺傳研究表明，OsTB1、D14和IPA1在OsCCA1下遊起作用。對Osca1突變體和OsCCA1-OE轉基因植株的獨腳金內酯含量和GR24響應分析表明，OsCCA1可能影響獨腳金內酯信號轉導。糖對OsCCA1在根和分櫱芽中的表達有負影響，而在地上部對OsCCA1的表達有正影響，從而促進分櫱芽的生長。


這些結果共同為調節水稻分櫱和穗部發育的涉及光合作用糖、生物鐘和糙內酯途徑的調控環提供了分子和遺傳證據。該研究報告了一個調節環路，它涉及生物鐘、糖和獨腳金內脂途徑來調節水稻分櫱芽和穗部的發育。研究結果表明，生物鐘整合了糖反應和獨腳金內酯途徑來調節分櫱和穗部發育，為改善水稻和其他糧食作物的植株結構和產量提供了新的見解。


OsCCA1 Integrates the Sugar Response and Expression of OsTB1, D10, D14, and IPA1 to Regulate Tillering and Panicle Development.

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