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林鸿宣研究组揭示类受体激酶信号通过调控细胞分裂素代谢参与水稻花序形态建成的新机制

日期:2020-07-03  访问次数:1390

2020年7月3日,国际植物学期刊The Plant Cell 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究组题为“ERECTA1 Acts Upstream of the OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 Cascade to Control Spikelet Number by Regulating Cytokinin Metabolism in Rice”的研究论文。该研究发现了类受体蛋白激酶通过整合MAPK级联信号调控细胞分裂素代谢,进而参与水稻花序形态建成的新机制,为水稻穗型改良和作物分子设计育种提供了良好的理论基础。

  水稻产量性状是由多基因控制的复杂数量性状,容易受到环境变化的影响。水稻产量主要由每株有效分蘖数、每穗粒数和粒重三个因素共同决定的。水稻的有效分蘖数直接决定了每株的穗数,每穗粒数则是由一级枝梗数目和二级枝梗数目以及枝梗上的小穗数目共同决定的。其中,每穗粒数是决定水稻产量的关键因素之一。通过分子遗传学方法揭示水稻每穗粒数发育的分子调控机理不仅具有重要的生物学意义,而且可以为作物产量的遗传改良提供新的基因资源和理论依据。2018年,林鸿宣研究组鉴定到一个控制水稻粒型大小和每穗粒数双重发育过程的关键基因GSN1,其编码一个双特异性磷酸酶,可以对OsMPK6进行去磷酸化修饰。在此基础上,还鉴定了控制水稻穗型发育的上游关键激酶OsMKKK10,确立了调控水稻花序形态建成的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联通路,进一步提出了GSN1-MAPK分子模块可能通过整合下游的植物激素信号影响局部细胞特化和细胞分裂,从而精细调控水稻每穗粒数和粒型大小之间的协同发育 (Guo et al, Plant Cell, 2018)。然而,GSN1-MAPK分子模块上游和下游的具体组分还不太清楚,特别是其调控植物激素的分子机理亟待研究。

  该项研究中,该研究组通过遗传筛选回复gsn1表型的突变体,进一步鉴定了一个控制水稻花序形态建成的关键基因ERECTA1 (OsER1),其编码一个类受体蛋白激酶。研究发现,OsER1通过调控局部细胞分裂参与水稻穗部形态建成,是水稻每穗粒数的负调控因子。遗传和生化分析表明,OsER1作用于OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号的上游,通过调控OsMPK6的磷酸化水平影响水稻幼穗的发育。研究还发现,OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6信号通路通过维持水稻幼穗中细胞分裂素内稳态控制花序的形态建成,最终决定每穗粒数的形成。进一步研究鉴定出一个与OsMPK6互作的蛋白即锌指转录因子DST。体外和体内实验研究表明,OsMPK6的确与DST发生蛋白互作,并且OsMPK6可以对后者进行磷酸化修饰,证明了DST是OsMPK6的一个新的底物。在水稻原生质体中通过双荧光报告系统证明,OsMPK6对DST的磷酸化增强了DST对下游细胞分裂素氧化酶基因OsCKX2的转录激活能力,从而促进幼穗发育过程中细胞分裂素的降解,维持细胞分裂素的正常水平。此外,系列转基因遗传实验表明,过表达DST或者OsCKX2都能回复oser1osmkkk10osmkk4osmpk6 (dsg1)突变体每穗粒数增多的表型,表明OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6信号通路在遗传上依赖于DST-OsCKX2调控模块。该研究在植物中发现了细胞分裂素代谢调控的上游感知信号,不仅为理解植物花序形态建成以及可塑性的分子调控机理提供了新的视野,而且为作物产量性状的遗传改良提供了新的分子模块和策略。

  林鸿宣研究组博士后郭韬和博士研究生卢紫琦为该论文的共同第一作者。研究组单军祥博士、叶汪薇博士、董乃乾博士参与了该项工作。该项目得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、中国博士后科学基金会和上海市“超级博士后”激励计划等相关经费资助。

  论文链接:http://www.plantcell.org/content/early/2020/07/02/tpc.20.00351