水稻锌指同源盒转录因子 OsZHD1 和 OsZHD2 协同调控籽粒大小的奥秘

《Rice》：The OsZHD1 and OsZHD2, Two Zinc Finger Homeobox Transcription Factor, Redundantly Control Grain Size by Influencing Cell Proliferation in Rice

为探究 ZHD 蛋白在水稻生殖发育中的功能，研究人员对 OsZHD1 和 OsZHD2 开展研究，发现二者冗余调控水稻籽粒大小。

　　在植物的生长发育过程中，就像一场精密的交响乐演奏，无数的基因和蛋白相互配合，共同谱写生命的旋律。其中，转录因子（TF）扮演着至关重要的角色，它们是这场交响乐的指挥家，调控着基因的表达，确保植物在不同的生长阶段和环境条件下正常发育。

锌指同源盒（Zinc Finger-Homeodomain，ZHD）蛋白作为转录因子大家庭中的一员，近年来逐渐受到科研人员的关注。在众多植物物种中，ZHD 基因的数量有所差异，例如拟南芥中有 17 个，水稻中有 14 个。已有研究表明，ZHD 蛋白在植物的多个生长发育过程中发挥作用，如大豆中的 GmZF-HD1 和 GmZF-HD2 参与病原体防御反应，拟南芥中的 AtZHD1 响应盐胁迫和干旱等。然而，关于 ZHD 蛋白在水稻生殖发育方面的功能，仍存在许多未知的空白区域。

水稻作为全球重要的粮食作物，其籽粒大小直接关系到粮食产量和品质。籽粒大小由种子的三维结构（长度、宽度和厚度）决定，而这一过程受到复杂的遗传调控。此前，虽然已经克隆和研究了多个与水稻籽粒大小相关的数量性状位点（QTL），但对于 ZHD 蛋白在这一过程中的作用，却知之甚少。为了填补这一知识空白，来自福建农林大学、福建省农业科学院和广西大学等单位的研究人员开展了一项深入研究，旨在揭示 OsZHD1 和 OsZHD2 在水稻籽粒大小调控中的作用机制，该研究成果发表在《Rice》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，构建了 OsZHD1 和 OsZHD2 的单突变体（oszhd1、oszhd2）和双突变体（oszhd1oszhd2）。通过对突变体的表型分析，研究人员观察到单突变体与野生型在植株高度、生殖器官大小等方面差异不明显，但双突变体出现了矮化、生殖器官变小以及籽粒更短、更窄、更薄的现象。其次，运用转录组测序技术，对野生型和突变体的花序进行分析，筛选出差异表达基因（DEGs），并对这些基因进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析，以探究基因的功能和参与的代谢途径。此外，还使用了酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）等实验技术，验证 OsZHD1 和 OsZHD2 之间的蛋白相互作用。

研究结果如下：

1. 突变体表型特征：研究人员成功构建了多个突变体株系，通过 qRT-PCR 分析发现，突变体中 OsZHD1 和 OsZHD2 的表达量显著低于野生型。对突变体的表型研究表明，单突变体的植株高度、穗部、小穗、雄蕊和雌蕊大小与野生型相比，除了 oszhd1 的节间长度有所减少外，其他方面差异不明显；而双突变体 oszhd1oszhd2 的植株高度和生殖器官组织大小显著减小，这表明 OsZHD1 和 OsZHD2 共同参与调控植物高度和生殖器官大小。
2. 对籽粒大小的影响：进一步研究发现，OsZHD1 和 OsZHD2 的突变会导致籽粒大小发生变化。单突变体的籽粒宽度显著减小，双突变体的籽粒长度、宽度、厚度以及百粒重均显著降低，这充分说明 OsZHD1 和 OsZHD2 参与调控水稻籽粒大小。
3. 调控机制 —— 影响细胞增殖：通过对小穗颖壳的组织学观察和扫描电子显微镜（SEM）分析，发现 oszhd1oszhd2 的小穗颖壳在受精前比野生型和单突变体更小。oszhd1oszhd2 颖壳横切面的总细胞长度、外薄壁细胞数量和外薄壁细胞宽度均显著减少，同时，其外颖和内颖纵向表皮细胞的长度增加，宽度减小。这些结果表明，OsZHD1 和 OsZHD2 可能通过抑制细胞增殖来抑制小穗颖壳的横向生长，进而影响籽粒大小。
4. 蛋白定位与表达模式：亚细胞定位实验表明，OsZHD1 和 OsZHD2 定位于细胞核。GUS 染色结果显示，它们在成熟阶段的节间和不同发育阶段的小穗中均有表达，这说明 OsZHD1 和 OsZHD2 在细胞核中发挥功能，参与调控植物高度和籽粒大小。
5. 蛋白相互作用：Y2H、BiFC 和 Co-IP 实验结果证实，OsZHD1 能够与 OsZHD2 直接相互作用，这表明它们可能形成复合物，共同调控相关基因的表达。
6. 基因表达谱分析：转录组测序分析发现，与野生型相比，oszhd1oszhd2 中有大量基因的表达发生变化。其中，839 个基因在 oszhd1oszhd2 与野生型、oszhd1-1 和 oszhd2-1 的比较中均显著下调。GO 富集分析表明，这些差异表达基因主要富集在次生代谢物生物合成、膜的整体组成和转运体活性等途径；KEGG 富集分析显示，它们参与泛素介导的蛋白水解、内质网中的蛋白加工、角质、木栓质和蜡的生物合成以及次生代谢物的生物合成等代谢途径。这表明 OsZHD1 和 OsZHD2 在植物生长发育的多个过程中发挥着关键作用。
7. 基因表达验证：qRT-PCR 实验验证了 RNA-seq 分析的结果，发现参与细胞扩张和细胞周期的基因在单突变体和双突变体中均下调，这可能导致外薄壁细胞的宽度和数量减少，影响细胞增殖。此外，一些与籽粒大小相关的基因，如 OsPUP7 和 OsKNAT7，在 oszhd1oszhd2 中的表达也显著下调。

研究结论与讨论：本研究明确了 OsZHD1 和 OsZHD2 在水稻籽粒大小调控中的重要作用。它们通过影响细胞增殖，协同调控水稻的籽粒大小。研究还发现，ZHD 蛋白家族在植物生长发育中具有多样性和功能冗余性。OsZHD1 和 OsZHD2 的功能缺失导致籽粒变小，而过表达则会引起水稻矮化和叶片卷曲等现象，这表明它们是调控水稻产量和品质的关键基因。此外，ZHD 基因作为转录因子，可通过与其他蛋白相互作用，调控大量靶基因的表达。虽然目前 ZHD 蛋白的分子机制和遗传调控网络尚未完全解析，但本研究为进一步深入研究 ZHD 蛋白在水稻及其他植物中的功能奠定了基础，也为作物育种和品种改良提供了有价值的靶点。未来，科研人员可以基于这些发现，进一步探索如何利用 OsZHD1 和 OsZHD2 来提高水稻产量和品质，为全球粮食安全做出贡献。