近日，中國農業科學院作物科學研究所李學勇研究組在Journal of Genetics and Genomics線上發表了題為“MIT1, encoding a 15-cis-ζ-carotene isomerase (Z-ISO), regulates tiller number and stature in rice” 的研究論文，報道了編碼15-順式-ζ-胡蘿蔔素異構酶的MIT1基因透過影響類胡蘿蔔素和獨腳金內酯的生物合成調控水稻株高和分櫱數目。

分櫱是水稻的一個重要農藝性狀，影響水稻的株型和產量。已有研究證明，來源於類胡蘿蔔素的植物激素獨腳金內酯（Strigolactone, SL）可以抑制水稻分櫱的產生【1】。類胡蘿蔔素是光合作用的輔助色素，保護植物免受光氧化損傷。李學勇研究組鑑定了一份半矮化、分櫱中度增多的水稻突變體（moderately increased tiller 1, mit1），並對其表型、突變基因等進行了研究，闡明瞭類胡蘿蔔素合成和獨腳金內酯合成以及調控水稻矮化、分櫱增多之間的關係。

該研究發現，MIT1基因編碼類胡蘿蔔素合成途徑的一個關鍵酶，15-順式-ζ-胡蘿蔔素異構酶（15-cis-ζ-caroteneisomerase，Z-ISO）（圖A）【2】。在mit1突變體中，由於此酶功能的缺失，導致9,15,9′-tri-cis-ζ-carotene不能異構轉化為9,9′-di-cis-ζ-carotene，從而使類胡蘿蔔素的合成減少，最終導致獨腳金內酯的合成量降低，表型表現為株高變矮、分櫱增多（圖B–D）。此外，研究人員還用mit1與SL合成途徑和訊號轉導途徑的突變體d3和d17構建了雙突變體，進一步證明MIT1基因透過影響SL訊號途徑調控水稻分櫱。

（A）植物類胡蘿蔔素合成途徑；（B）野生型（WT）和mit1突變體灌漿期表型；（C）田間生長的WT和mit1葉片中β胡蘿蔔素含量；（D）液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）測定WT和mit1幼苗根系分泌物中獨腳金內酯epi-5DS水平

之前報道的研究顯示類胡蘿蔔素合成突變體往往葉片白化、生活力下降甚至致死，且未能表現出分櫱增多的表型 【3】。而15-順式-ζ-胡蘿蔔素異構酶（Z-ISO）催化的異構化反應可以由光照部分代替（圖A），因此葉片不白化，營養生長正常，從而表現出半矮化、分櫱中度增多的表型。該研究建立了類胡蘿蔔素合成缺陷與獨腳金內酯調控的水稻分櫱之間的直接聯絡。作者還利用524份水稻種質資源 【4】，鑑定出了MIT1基因3種不同的單倍型，分別對應不同的水稻分櫱數目，表明MIT1基因在自然資源中變異對水稻分櫱數目有不同的效應，有望在水稻育種中應用。

中國農業科學院作物科學研究所、南昌大學劉麗華博士以及中國農業科學院作物科學研究所研究生任濛濛、彭鵬為該論文共同第一作者，李學勇研究員為通訊作者。中科院遺傳發育所褚金芳研究員、王義琴副研究員和山東水稻研究所袁守江研究員等也參與了該研究。本研究受到國家科技重大專項、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃等的資助。

參考文獻

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[4] Wang, W., Mauleon, R., Hu, Z., Chebotarov, D., Tai, S.,Wu, Z., Li, M., Zheng, T., Fuentes, R. R., Zhang, F., et al., 2018. Genomicvariation in 3,010 diverse accessions of Asian cultivated rice. Nature 557,43–49.

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.jgg.2020.11.008