撰文 | MX

責編 | 王一

水稻是全球最重要的糧食作物之一，世界上有將近一半人口以水稻為主食。隨著全球人口的快速增長，未來的糧食供給形勢依然十分嚴峻。聯合國糧農組織 (FAO) 預測到本世紀中期全球的糧食需求將增加60%以上，而全球範圍內的可耕地資源有限，因此只有大幅度提升主要作物產量才能滿足全球人口的糧食需求 【1】。水稻穗子的大小和穗粒數是直接影響水稻產量的重要農藝性狀，穗粒數目主要由穗型決定，穗型即為一次枝梗和二次枝梗的長度及高次枝梗的數目【2】。因此闡明穗型調控的遺傳和分子機制對水稻高產育種具有非常重要的意義。

近日，中科院遺傳與發育生物學研究所李雲海課題組聯合姚善國研究組和中國水稻研究所錢前團隊等在The Plant Cell線上發表了題為The LARGE2-APO1/APO2 regulatory module controls panicle size and grain number in rice的研究論文。該研究報道了一個編碼HECT-domain E3泛素連線酶OsUPL2的基因LAEGE2，其透過影響分生組織活性進而調控水稻穗子大小和粒數。

該研究首先透過多種化學誘變和輻射誘變的方法在3種不同背景的水稻中鑑定獲得9個穗子增大的突變株，分別命名為large2-1~ large2-9，這9個突變株的表型都表現為穗子增大，一次枝梗和二次枝梗數明顯增多，因此導致每穗粒數也增加；同時葉片寬度和粒寬相比野生型也增寬，株高略微降低、莖稈變粗。研究人員利用large2-2和large2-3突變體與野生型雜交形成F2群體，透過BSA混池測序鑑定到突變位點並得到候選基因，同時還利用其他突變株與野生型雜交對該候選基因透過測序進行進一步的驗證。該研究進一步透過體外實驗對LARGE2的E3泛素連線酶功能進行驗證，發現HECT domain是LARGE2具有E3泛素連線酶活性所必需的。對營養到生殖階段的頂端分生組織 (SAM) 的大小和細胞數目進行統計比較，發現LARGE2透過影響SAM中的細胞數目來調控分生組織大小；同時檢測了一系列分生組織的maker基因，發現LARGE2透過影響這些基因的表達進而影響分生組織的活性。

APO1是一個已報道的影響水稻穗子大小和粒數的基因【3】，其功能獲得性突變體SCM2表現出與large2相似的表型，因此研究人員分析這兩個蛋白之間是否發生互作，首先透過熒光互補實驗對其互作進行驗證，接著透過免疫共沉澱 (Co-IP) 實驗對LARGE2與APO1的互作蛋白APO2之間的互作也進行了驗證。由於LARGE2是一個E3泛素連線酶，因此作者透過體外實驗分析該蛋白是否會影響APO1和APO2的降解，研究發現，LARGE2影響和調節APO1和APO2的穩定性。最後利用large2突變體與APO1的CRISPR-Cas9編輯材料及APO2突變體分別進行雜交和遺傳分析，結果表明LAEGE2和APO1及APO2在同一條遺傳途徑上調控水稻穗子大小和粒數。

圖：LARGE2-APO1/APO2基因模組調控水稻穗子大小和粒數的工作模型

綜上所述，該研究透過誘變獲得穗子增大的水稻突變體large2，對突變位點和基因進行鑑定和克隆，並對其功能進行研究表明其編碼一個HECT domain E3泛素連線酶，進一步分析發現其透過影響APO1和APO2蛋白穩定性，進而影響分生組織的活性和水稻穗子大小。該研究鑑定了一個影響水稻穗型的重要基因調控模組，對增加水稻的產量和高產育種具有重要意義。

參考文獻：

[1] Tadesse, W. et al. Genetic gains in wheat breeding and its role in feeding the world. Crop Breed. Genet. Genom. 1, e190005 (2019).

[2] Sakamoto, T., and Matsuoka, M. (2008). Identifying and exploiting grain yield genes in rice. Curr Opin Plant Biol 11, 209-214.

[3] Ikeda, K., Nagasawa, N., and Nagato, Y. (2005). ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 temporally regulates meristem identity in rice. Dev Biol 282, 349-360.

文章連結：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab041/6126481