BELL-KNOX模块qSH1-OSH71通过直接激活OsXTH12木葡聚糖酶调控水稻落粒性的分子机制

华南农业大学研究人员揭示了水稻落粒性调控的新机制。研究发现BELL-KNOX家族转录因子OSH71与关键落粒基因qSH1相互作用形成调控模块，通过直接激活木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶OsXTH12的表达，降低离区半纤维素含量并促进乙烯合成，从而调控离层发育和落粒性。该研究为解析水稻落粒分子网络提供了新见解，对培育适度落粒水稻品种具有重要指导意义。

　　

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其产量性状的遗传调控一直是研究热点。落粒性是影响水稻产量的关键农艺性状，适度的落粒性既能保证收获效率又可减少田间损失。然而，目前对落粒性分子调控网络的认识仍不完善，特别是关于细胞壁重塑与植物激素协同调控的机制尚不清楚。传统育种中难以精准调控落粒程度，亟需从分子层面解析其调控机制。

华南农业大学广东省未来作物精准育种基础研究中心的研究团队在《Plant Physiology》发表研究，揭示了BELL-KNOX家族转录因子OSH71与已知落粒基因qSH1形成调控模块的新机制。研究人员通过酵母双杂交筛选发现OSH71与qSH1存在相互作用，进一步利用双分子荧光互补、GST pull-down和免疫共沉淀等技术证实了两者在细胞核内的直接互作。通过构建CRISPR-Cas9基因编辑突变体，发现osh71突变体表现出离层发育缺陷和落粒性降低的表型。组织特异性表达分析显示OSH71在幼穗离区高表达。转录激活实验证明OSH71具有转录因子活性，能直接结合并激活OsXTH12启动子。有趣的是，qSH1与OSH71的相互作用可协同增强对OsXTH12的转录激活。OsXTH12过表达导致离区半纤维素含量下降、乙烯合成增加，最终促进离层发育和落粒。

关键技术方法包括：酵母双杂交筛选互作蛋白；CRISPR-Cas9构建基因敲除突变体；双分子荧光互补和免疫共沉淀验证蛋白互作；电泳迁移率变动分析(EMSA)和双荧光素酶报告系统检测转录因子与DNA结合活性；扫描电镜观察离层形态；半纤维素含量测定和植物激素水平检测。

研究结果部分：
"qSH1 interacts with OSH71"：通过多种分子互作验证技术证实qSH1与OSH71在细胞核内形成蛋白复合物。酵母双杂交筛选发现OSH71与qSH1强烈互作，亚细胞共定位显示两者在细胞核共定位，BiFC、GST pull-down、Co-IP和LCI实验进一步证实了这一互作。

"OSH71 regulates rice grain shattering"：构建osh71 CRISPR突变体，发现其断裂拉伸强度(BTS)显著增加，落粒性降低。组织切片显示突变体离层发育不完全，扫描电镜观察到离层断裂面粗糙。

"Expression pattern of OSH71"：GUS染色和RT-qPCR分析显示OSH71在幼穗离区高表达，亚细胞定位发现其主要定位于细胞核、细胞膜和内质网。

"OSH71 works as a transcription factor"：酵母和植物体内转录激活实验证实OSH71具有强转录激活活性，是功能性转录因子。

"OSH71 regulates the expression of OsXTH12"：Y1H、EMSA和双荧光素酶报告系统证实OSH71直接结合OsXTH12启动子并激活其表达。qSH1与OSH71协同增强对OsXTH12的转录调控。

"Expression pattern of OsXTH12"：OsXTH12在幼穗离区高表达，主要定位于液泡细胞器，暗示其参与细胞壁成分调控。

"OsXTH12 regulates rice seed shattering"：Osxth12突变体表现出与osh71类似的落粒性降低和离层发育缺陷，而过表达株系则落粒性增强。半纤维素含量测定显示OsXTH12过表达导致离区半纤维素减少，乙烯合成相关基因表达上调。

研究结论与意义：
该研究系统解析了qSH1-OSH71-OsXTH12调控模块在水稻落粒性中的作用机制。首次发现BELL-KNOX家族成员OSH71与qSH1互作共同调控下游靶基因OsXTH12的表达，通过影响离区细胞壁半纤维素代谢和乙烯合成途径调控离层发育。这一发现不仅完善了水稻落粒性调控网络，为理解植物器官脱落过程中细胞壁重塑与植物激素的协同调控提供了新视角，而且为分子设计育种精准调控水稻落粒性提供了重要靶点。研究采用的多种分子互作验证技术和多组学分析策略也为类似研究提供了方法学参考。未来可进一步探索该调控模块与其他已知落粒途径的交叉调控，以及在不同水稻种质资源中的等位变异，为培育适应不同生态区的水稻品种奠定基础。