液泡糖转运蛋白OsERD5通过调控细胞内己糖稳态促进水稻分蘖和产量

为解决水稻产量提升的瓶颈问题，研究人员聚焦单糖转运蛋白(MST)超家族中的OsERD5基因，发现其过表达能显著增加分蘖数和籽粒产量。该研究揭示OsERD5通过介导液泡己糖外流、促进蔗糖合成与转运，激活细胞分裂素(CK)信号并抑制独脚金内酯(SL)和赤霉素(GA)通路，为作物高产育种提供了新靶点。

　　

【研究背景】
水稻作为全球半数人口的主粮，其产量提升始终是农业科学的核心命题。分蘖数作为决定水稻产量的关键农艺性状，长期以来受到糖信号与植物激素网络的精细调控。然而，液泡作为植物细胞的"糖仓库"，其糖转运机制如何影响分蘖发育仍存在认知空白。早期研究发现拟南芥AtERDL4/6能调控液泡糖外流，但水稻中同源基因的功能及其与产量形成的关联尚未阐明。

【研究机构与方法】
中国农业科学院作物科学研究所团队在《The Crop Journal》发表研究，通过构建OsERD5基因敲除(CRISPR-Cas9)和过表达(35S启动子驱动)株系，结合酵母异源表达系统、糖代谢酶活性检测、激素含量测定等技术，系统解析了OsERD5的生物学功能。研究利用水稻品种中花11(ZH11)为材料，通过田间试验和实验室分析相结合的策略展开工作。

【研究结果】
3.1 OsERD5的系统鉴定
系统发育分析显示OsERD5与拟南芥AtERDL4/6和苹果MdERDL6-1高度同源，具有12个跨膜结构域和典型糖转运蛋白保守基序(如GRK、DxxGRR)。

3.2 表型调控效应
OsERD5过表达株系分蘖数增加35%、单株产量提高28%，而敲除株系未出现显著表型变化，暗示基因功能冗余。

3.3 时空表达与亚定位
启动子-GUS染色显示OsERD5在叶片和叶鞘高表达；GFP标记证实其定位于液泡膜，与拟南芥同源基因定位一致。

3.4 转运功能验证
酵母EBY.VW4000缺陷株互补实验证实OsERD5具有葡萄糖、果糖和甘露糖转运活性。

3.5 昼夜节律调控
表达谱分析揭示OsERD5呈现典型昼夜振荡模式，其过表达上调胞质糖敏感基因OsNIA1(硝酸还原酶1)并抑制OsCAB2(叶绿素a/b结合蛋白2)。

3.6 糖代谢重编程
过表达株系叶片蔗糖含量增加2.1倍，蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性提高1.8倍，糖转运蛋白OsSUT1/4表达显著上调。

3.7 激素通路互作
分蘖基部玉米素含量增加3.2倍，SL信号基因OsD3下调60%，GA代谢基因OsGA2ox3/5/8/9表达量提升2-5倍。

【结论与意义】
该研究首次阐明水稻液泡糖转运蛋白OsERD5通过"液泡糖外流-胞质糖信号-激素网络"三级调控轴促进分蘖发育的分子机制。创新性发现包括：1) 揭示OsERD5-OsTMT2模块维持胞内己糖稳态的昼夜节律调控；2) 阐明糖诱导的CK信号激活与SL/GA抑制协同调控分蘖芽伸长的新模式；3) 提供通过调控亚细胞糖分配提高作物产量的新策略。研究为水稻高产育种提供了理论依据和基因资源，相关机制可能适用于其他禾本科作物。