揭秘水稻垩白调控新机制：CHALK10-SD1-GA 模块的关键作用

在水稻研究中，垩白问题影响稻米品质，为探究其调控机制，研究人员开展了关于 CHALK10 基因功能的研究。结果发现 CHALK10 通过调节 SD1 的泛素化降解影响 GA 水平和淀粉代谢，进而调控垩白。该研究为改善水稻品质提供了新方向。

　　在水稻的世界里，垩白现象就像是隐藏在稻谷中的 “瑕疵”，极大地影响了水稻的品质。稻谷本应晶莹剔透，可一旦出现垩白，不仅外观大打折扣，口感和加工性能也会受到影响，降低了其商业价值。长久以来，虽然科研人员已经知道淀粉合成异常、胚乳发育缺陷等因素与垩白形成有关，但垩白形成的分子机制仍迷雾重重，尤其是 F-box 蛋白在其中扮演的角色，更是知之甚少。而且，植物激素赤霉素（GA）对水稻生长发育有多方面影响，可它是否参与垩白调控，一直是个未解之谜。在这样的背景下，为了揭开水稻垩白的神秘面纱，中国水稻研究所的研究人员踏上了探索之旅。

研究人员从一个经乙基甲烷磺酸（EMS）诱变的水稻突变体库中，筛选出了 chalk10 突变体，这个突变体的垩白粒率和垩白度都明显增加。随后，研究人员运用多种技术深入研究，最终发现了一个全新的调控水稻垩白的机制，即 CHALK10-SD1-GA 模块。该研究成果发表在《Plant Communications》上，为水稻品质改良提供了关键的理论依据。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术。首先，通过 MutMap 方法精准定位到 CHALK10 基因。接着，利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建相关突变体，验证基因功能。此外，还采用酵母双杂交（Y2H）、谷胱甘肽 S - 转移酶（GST）pull-down、荧光素酶互补成像（LCI）等技术，探究蛋白质之间的相互作用。

研究结果如下：

• chalk10 突变体的特征：chalk10 突变体的胚乳发育存在缺陷，淀粉颗粒呈球形且松散堆积，垩白粒率和垩白度显著升高，同时淀粉含量和理化性质发生改变，如总淀粉和直链淀粉含量降低，凝胶一致性变长等。
• CHALK10 基因的鉴定与功能验证：运用 MutMap 方法定位到 CHALK10 基因，其编码一个 F-box 蛋白。通过互补实验和基因编辑敲除实验证实，该基因对垩白形成和正常淀粉合成至关重要。
• CHALK10 与 SD1 的相互作用：Y2H 筛选发现 CHALK10 与 GA 20 - 氧化酶 SD1 相互作用，且 F-box 结构域介导了这种相互作用。多种实验，如 GST pull-down、LCI、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）等，在体内外都验证了这一相互作用。
• CHALK10 对 SD1 的调控机制：CHALK10 可与 OSK1、CUL1 和 RBX1 形成 SCF 复合物，通过 26S 蛋白酶体途径促进 SD1 的泛素化和降解。在 chalk10 突变体中，SD1 积累，GA 含量上升。
• SD1 对垩白的影响：构建 SD1 过表达（SD1-OE）转基因株系和 SD1 功能缺失突变体发现，SD1 是垩白的正调控因子，其过表达会导致垩白粒率和垩白度增加，而功能缺失则降低垩白度。
• GA 对垩白的影响：用 GA₃处理野生型水稻，随着 GA₃浓度增加，垩白粒率和垩白度上升，总淀粉和直链淀粉含量下降。这表明 GA 在 CHALK10 下游促进垩白形成。
• CHALK10-SD1 模块对淀粉代谢的影响：在 chalk10 突变体、SD1-OE 株系和 GA₃处理的植株中，α- 淀粉酶活性和淀粉降解相关基因表达增加，而淀粉合成相关基因表达减少，导致淀粉含量降低，可代谢糖积累。

研究结论表明，在野生型水稻中，CHALK10 通过形成 SCF 复合物降解 SD1，维持 GA 生物合成和淀粉代谢的平衡。而在 chalk10 突变体中，SD1 不能正常降解，GA 水平上升，影响淀粉代谢相关基因表达，最终导致垩白形成。

在讨论部分，研究人员指出，虽然已经揭示了 CHALK10-SD1-GA 模块调控垩白的机制，但仍有一些问题有待进一步研究。例如，自噬在 SD1 降解中的具体作用机制尚不明确。此外，该研究为水稻品质改良提供了新的靶点和理论基础，有助于培育出低垩白、高品质的水稻品种，对水稻育种具有重要的指导意义。未来，科研人员可以基于此研究，进一步探索垩白调控的复杂网络，为提升水稻品质持续发力。