中国农科院:组织特异性抑制油菜素内酯 提高水稻穗分枝和籽粒产量

通过各种科技手段让粮食更高产，是在有限耕地下养活越来越多人口的必然选择。中国农科院的研究人员一直在努力。

　　

中国农科院的研究人员研究了激素信号通路如何以精确的时空方式(即细胞和组织特异性信号传导)提高水稻粒数。他们发现了一个油菜素内酯代谢基因，该基因通过信号级联和一个关键转录因子的下游基因表达，导致丛穗稻籽粒数增加。这项工作为理解次生分枝分生组织中油菜素内酯激素通路的空间调控如何促进穗分枝和粒数这一提高水稻产量的关键性状铺平了道路。

作物育种本质上是平衡各种性状以达到植物最佳性能的艺术。然而，由于性状之间的复杂关系，实现最佳平衡是具有挑战性的。一个主要的障碍是各种特性之间的权衡，如谷物大小和谷粒数之间的权衡。油菜素内酯(BRs)可促进籽粒大小，并已被证明可提高作物产量。尽管油菜素内酯具有潜力，但其多效性影响阻碍了其在作物改良中的应用，其在调节籽粒数方面的作用尚不清楚。

丛穗稻(CL)是一种独特的具有历史意义的种质资源，在不影响籽粒大小的情况下从一个位置产生多个籽粒。近一个世纪以来，导致丛穗性状的基因尚未发现。作者尝试揭开丛穗稻的分子遗传学以找出令穗分枝的原因，并期望能解开籽粒大小和数量之间的权衡。对油菜素内酯缺乏植株弱簇生长的观察表明油菜素内酯可能在控制这一性状中起作用。了解丛穗稻发生背后的机制可以为油菜素内酯的功能及其在控制不同物种相似生长模式中的作用提供新的见解。克隆的CL基因是探索这些可能性的关键第一步。

作者通过广泛筛选CL抑制突变体成功克隆了CL基因。基因组分析显示，CL与染色体的复杂结构变异相关，在次级分枝分生组织中激活油菜素内酯分解代谢基因BRASSINOSTEROID-DEFICIENT DWARF3 (BRD3)。空间特异性激活BRD3能增加粒数，而没有出现常见的油菜素内酯缺乏影响谷粒大小的问题。他们发现了一个支持这一功能的组织特异性BR通路，包括BR信号抑制剂激酶GSK3/SHAGGY-LIKE KINASE2 (GSK2)，它磷酸化并稳定OsMADS1转录因子。反过来，OsMADS1针对并促进RCN2)抑制分生组织同一性。在不同的背景下引入CL大大提高了水稻产量。此外，研究人员还发现，在辣椒和玫瑰的生长模式中，油菜素内酯含量发生了类似的变化，这表明油菜素内酯在自然界中对这种表型的控制具有更广泛的作用。

研究揭示了BRs通过精确的分生组织转变在协调穗分枝和粒数方面的开创性作用。组织特异性BR通路(BRD3-BR-GSK2-OsMADS1 -RCN2)，支撑着这个以前未知的功能。BRs在调节籽粒大小和籽粒数量方面的正、负作用分别代表了一种重要的权衡机制。值得注意的是，这种BR通路中的空间靶向机制在不影响籽粒大小的情况下增加了籽粒数。因此，调控BR分布为作物性状的精细调整提供了有效的育种策略，最终提高作物产量。研究结果展示了组织特异性激素操纵在克服各种性状之间的权衡和释放作物产量潜力方面的功效。BR水平的变化可能代表了控制自然花序结构的基本机制。