综合多组学解析OsMYB48作为转录抑制因子调控水稻厌氧萌发中胚芽鞘伸长的分子机制

本研究针对水稻直播中因淹水厌氧条件导致发芽率低的问题，通过GWAS定位与多组学整合分析，发现转录因子OsMYB48通过抑制乙烯前体ACC合成关键基因OsACS1/OsACO2的表达，负调控胚芽鞘伸长。该研究为培育耐厌氧直播水稻品种提供了新靶点和遗传资源。

　　

随着水稻直播技术的推广，淹水厌氧环境导致的种子萌发率低已成为制约生产的关键问题。胚芽鞘作为水稻种子在厌氧条件下的特殊呼吸器官，其伸长能力直接决定幼苗能否成功建立。虽然前人研究发现赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)等激素通路参与调控，但厌氧萌发的分子调控网络仍不清晰。

为系统解析水稻厌氧萌发的遗传基础，华南农业大学 Tao Guo 团队在《The Crop Journal》发表了整合多组学的研究。该研究首先对572份水稻种质资源进行全基因组关联分析(GWAS)，定位到92个与胚芽鞘性状相关的数量性状位点(QTL)。通过转录组与代谢组联合分析，筛选到36个候选基因，并利用CRISPR/Cas9技术对关键转录因子OsMYB48进行功能验证。

研究采用的主要技术方法包括：基于572份水稻自然群体的GWAS分析；极端表型材料（长胚芽鞘C261和短胚芽鞘C126）的转录组与代谢组测序；加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选厌氧响应模块；CRISPR/Cas9构建OsMYB48基因敲除和过表达株系；DNA亲和纯化测序(DAP-seq)鉴定转录因子靶基因；内源激素靶向检测技术。

3.1. GWAS分析厌氧处理3天后水稻胚芽鞘性状

通过测定572份材料在厌氧处理3天后的胚芽鞘长度(CL)、表面积(CSA)、体积(CV)和直径(CD)四个性状，共定位到156个显著位点，合并后获得92个唯一QTL，其中59个与已报道位点重叠。

3.2. 208份水稻种质4天厌氧处理表型分析

对208份材料的表型统计显示，胚芽鞘长度平均值为2.66 cm，变幅为1.58-4.04 cm，呈现正态分布，表明这些材料适合进行遗传分析。

3.3. C126和C261的转录组与代谢组分析

选择极端表型材料C261（长胚芽鞘）和C126（短胚芽鞘）进行多组学分析，发现10,338个差异表达基因(DEGs)和101个差异代谢物(DEMs)。KEGG富集显示这些基因主要参与次级代谢产物生物合成、碳代谢等通路。

3.4. 基于WGCNA的转录组与代谢组整合分析

通过加权基因共表达网络分析鉴定出10个共表达模块，其中蓝色模块与厌氧响应特异性相关。该模块包含1,901个基因，与GWAS结果交叉筛选获得36个候选基因。进一步筛选出7个枢纽基因，OsMYB48是唯一在所有厌氧处理组中均显著上调的枢纽基因。

3.5. OsMYB48的厌氧表型与亚细胞定位

CRISPR/Cas9技术构建的OsMYB48敲除突变体(ko-osmyb48-1和ko-osmyb48-2)在厌氧条件下胚芽鞘长度显著增加，而过表达株系则变短。亚细胞定位显示OsMYB48蛋白主要定位于细胞核。

3.6. ko-osmyb48-1内源激素含量测定

激素检测发现突变体中乙烯前体1-氨基环丙烷羧酸(ACC)含量显著增加至野生型的2.08倍，而ABA、SA、JA和IAA含量无显著变化。

3.7. ko-osmyb48-1转录组分析

转录组分析发现196个差异表达基因，其中乙烯生物合成关键基因OsACS1和OsACO2分别上调1.66倍和2.56倍。淀粉代谢基因RAmy3E和RAmy3C也显著上调。

3.8. OsMYB48的DAP-seq分析

DNA亲和纯化测序鉴定出68,772个显著富集峰，其中25.75%位于启动子区域。筛选获得35,137个显著峰，启动子区域包含8,608个峰。

3.9. DAP-Seq与突变体转录组整合分析

整合分析鉴定出31个OsMYB48潜在靶基因，包括WB1（上调1.98倍）和OsBURP16（上调8.42倍）。

3.10. OsMYB48单倍型分析

在591份材料中鉴定出3种主要单倍型，其中Hap1材料的胚芽鞘长度显著短于Hap2和Hap3。

讨论部分指出，本研究首次揭示OsMYB48通过抑制乙烯信号通路负调控水稻厌氧萌发过程中的胚芽鞘伸长。该转录因子通过结合下游靶基因如WB1和OsBURP16的启动子区域，调控乙烯生物合成基因OsACS1和OsACO2的表达，影响ACC积累。研究还发现OsMYB48可能通过调控淀粉代谢基因RAmy3E和RAmy3C的表达，影响碳源动员效率。这些发现为解析水稻厌氧萌发的分子机制提供了新见解，OsMYB48作为负调控因子，其功能缺失突变体可显著提高胚芽鞘伸长能力，这为培育适宜直播的水稻品种提供了有价值的遗传资源和分子靶点。