水稻E3泛素连接酶基因Chalk9的自然变异调控籽粒垩白形成机制解析

研究人员针对水稻垩白影响品质的育种难题，通过全基因组关联分析(GWAS)鉴定出关键基因Chalk9，揭示其通过E3泛素连接酶活性降解OsEBP89转录因子，调控淀粉和贮藏蛋白合成通路的分子机制。该研究为培育低垩白优质水稻品种提供了新靶点，成果发表于《Nature Communications》。

　　

水稻作为全球半数人口的主粮，其外观品质直接影响市场价值。籽粒垩白（chalkiness）是胚乳中不透明的白色区域，不仅降低稻米商品性，还会影响碾磨和蒸煮品质。尽管过去几十年水稻产量显著提升，但高产与优质往往难以兼得，垩白问题尤为突出。先前研究发现多个与垩白相关的数量性状位点(QTL)，但多数与产量性状存在连锁累赘，且分子机制尚不明确。

扬州大学的研究团队通过175份籼稻种质的全基因组关联分析(GWAS)，在9号染色体19.43-19.63 Mb区间锁定关键位点Chalk9。该基因编码具有RING-C3HC4结构域的E3泛素连接酶，其启动子区64-bp插入缺失变异通过OsB3转录因子调控表达差异。低表达型Chalk9-H导致底物OsEBP89积累，激活Wx基因和贮藏蛋白基因(SSP)表达，破坏贮藏物质合成稳态，形成垩白胚乳；而高表达型Chalk9-L通过26S蛋白酶体降解OsEBP89，减少淀粉和蛋白过度积累，产生透明籽粒。研究首次阐明E3泛素连接酶调控垩白形成的分子通路，为品质育种提供了不牺牲产量的精准调控靶点。

关键技术包括：基于自然群体的GWAS分析；Chalk9启动子编辑和等位基因互补实验；体外泛素化验证E3连接酶活性；酵母双杂交(Y2H)和免疫共沉淀(Co-IP)鉴定Chalk9-OsEBP89互作；RNA-seq解析下游调控网络；以及4246份栽培稻的群体遗传学分析。

Chalk9是籼稻垩白变异的主效位点
通过两年表型数据GWAS发现，Chalk9位点可解释28%的垩白表型变异。RNAi干扰和CRISPR敲除实验证实该基因负调控垩白形成，过表达株系垩白率(CGR)和垩白度(DC)显著降低。

启动子64-bp indel决定表达差异
籼稻品种中Chalk9-L单倍型携带的64-bp序列包含OsB3转录因子结合位点，驱动胚乳特异性高表达。NILChalk9-H相比轮回亲本Nip（Chalk9-L型）OsEBP89蛋白积累增加2倍，垩白性状显著增强。

E3连接酶靶向降解OsEBP89
MBP-Chalk9在体外能泛素化GST-OsEBP89，而C189S突变体丧失该活性。chalk9突变体中OsEBP89半衰期延长，Wx和GluB等贮藏物质合成基因表达上调，导致淀粉颗粒排列松散、蛋白体数量增加。

模块的育种应用价值
Chalk9-L在粳稻中受到强烈选择（频率99.9%），而在籼稻中呈现复杂进化轨迹。现代育种中Chalk9-L频率从1990年前的不足50%提升至当前优良品种的81%，与垩白度降低趋势一致。将该等位基因导入高产籼稻"桂朝2号"，可降低40%垩白度且不影响产量。

这项研究揭示了胚乳发育后期贮藏物质合成的"刹车"机制——Chalk9通过时空特异性表达降解OsEBP89，确保淀粉和蛋白合成适时终止。该发现突破了传统育种中产量-品质的权衡困境，为分子设计育种提供了新策略。特别值得注意的是，OsEBP89在籼稻中高度保守，而Chalk9启动子变异具有丰富的遗传多样性，使其成为改良籼稻外观品质的理想靶点。研究还提出了温度胁迫下该通路可能的作用机制，为应对气候变化引起的品质退化提供了研究方向。