水稻E2泛素结合酶家族系统分析揭示七个调控种子萌发的关键基因及其在ABA通路中的作用机制

本研究针对水稻种子萌发调控机制不清的问题，通过CRISPR-Cas9技术系统筛选39个OsUBC基因，发现OsUBC4/6/7/12/25/27/48七个基因正向调控种子萌发。其中OsUBC27和OsUBC48通过调控ABA代谢通路关键蛋白OsABA8ox1的泛素化修饰，平衡ABA稳态，为抗穗发芽水稻品种选育提供新靶点。研究成果对保障粮食安全具有重要意义。

　　

在水稻生产过程中，种子萌发是栽培起点和幼苗生长的基础，直接影响粮食产量和质量。然而种子萌发受到激素和环境因子的精密调控，其中脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）的平衡尤为关键。高温多雨条件下易发生的穗发芽（Pre-harvest sprouting, PHS）现象，会导致稻谷品质下降和产量损失，给农业生产带来重大经济损失。虽然已知泛素化修饰在植物激素稳态调控中发挥重要作用，但水稻E2泛素结合酶（UBC）家族中除OsUBC12外，多数成员在种子萌发中的功能尚未明确。

为系统解析UBC家族基因在水稻种子萌发中的作用，研究人员采用CRISPR-Cas9基因编辑技术对23个OsUBC基因进行敲除，并构建了20个基因的过表达株系。通过 germination assay（萌发实验）、激素含量检测、定量PCR、亚细胞定位和泛素化蛋白质组学等技术手段，结合来自3K水稻基因组计划的3010份种质资源进行单倍型分析。

研究结果首先通过系统进化分析发现，水稻39个UBC基因与拟南芥同源基因具有高度相似性（>67.56%），表明其在植物中功能保守。亚细胞定位实验证实OsUBC6/16/27/48主要定位于细胞核，与生物信息学预测结果一致。

通过表型筛选发现，OsUBC4/6/7/12/25/27/48七个基因的敲除突变体种子萌发显著受损，而过表达株系则呈现促进萌发表型。其中osubc27^CR和osubc48^CR突变体的萌发率分别降至63.7%和39.7%，且芽长显著短于野生型。相反，OsUBC27^OE和OsUBC48^OE过表达株系的萌发率高达98.2%和99.0%，芽长增加约一倍。

深入机制研究表明，OsUBC27和OsUBC48通过ABA途径调控萌发过程。LC-MS检测发现osubc27^CR和osubc48^CR突变体胚胎中ABA含量显著升高，而过表达株系ABA含量降低。外施ABA生物合成抑制剂fluridone可恢复osubc27^CR突变体的萌发率。qPCR分析显示osubc27^CR中ABA合成基因OsNCED1-5显著上调，其中OsNCED2表达量增加约150倍。

泛素化蛋白质组学分析揭示了OsUBC27的作用机制：在osubc27^CR突变体中，ABA降解蛋白OsABA8ox1的泛素化水平升高，GA失活酶OsGA2ox3的泛素化也发生改变，表明OsUBC27通过调控这些关键酶的泛素化修饰状态来影响激素稳态。

单倍型分析显示这七个OsUBC基因在籼粳亚种间存在分化分布模式。OsUBC4、OsUBC27和OsUBC48的主要单倍型在粳稻中占比84.5%-90.0%，而OsUBC6、OsUBC7、OsUBC12和OsUBC25的主要单倍型在籼稻中频率达94.9%-95.7%，为分子育种提供了有价值的遗传变异资源。

该研究首次系统鉴定了七个调控水稻种子萌发的UBC家族基因，揭示了OsUBC27通过调控OsABA8ox1泛素化修饰来平衡ABA稳态的新机制，为解析泛素化修饰调控种子休眠与萌发的分子网络提供了重要见解，也为培育抗穗发芽水稻品种提供了有价值的分子靶标。研究成果对提高水稻生产稳定性、保障粮食安全具有重要意义，为作物遗传改良提供了新思路。