華中農(nóng)業(yè)大學揭示水稻堊白形成的分子機理

　　2022年2月16日，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室何予卿教授團隊的研究論文Natural variation in WHITE-CORE RATE 1 regulates redox homeostasis in rice endosperm to affect grain quality 在The Plant Cell雜志在線發(fā)表，揭示了水稻心白率基因WCR1的自然變異和胚乳氧化還原穩(wěn)態(tài)影響堊白形成的分子機理。

 

　　堊白（Chalkiness）是由于稻米胚乳中淀粉顆粒和蛋白體排列不緊密而產(chǎn)生的白色不透明的部分，全面影響稻米外觀和蒸煮食味品質(zhì)，直接影響稻米作為商品的市場價值。因此，降低堊白是水稻優(yōu)質(zhì)遺傳改良的全球共同育種目標。堊白是典型的數(shù)量性狀，受遺傳因子和環(huán)境因素的共同影響，這也使得堊白基因克隆面臨了很大的挑戰(zhàn)。目前，通過自然群體克隆的堊白相關基因非常少，堊白形成的分子機制也有待進一步探索。

 

　　A: WCR1的圖位克隆；B：近等基因系株型和籽粒堊白表型；C：WCR1參與堊白形成的調(diào)控模式。

 

　　該研究經(jīng)過多年的圖位克隆，在水稻第一染色體上定位到一個控制心白率的基因WCR1，WCR1BL位點除降低心白率外，同時還增加產(chǎn)量和米飯食味值。系統(tǒng)發(fā)育和序列分析表明該基因編碼一個F-box蛋白，在大麥、小麥、玉米、高粱和擬南芥中都存在同源基因。WCR1是心白率的負調(diào)控因子，上調(diào)WCR1的表達水平，能顯著降低心白率。自然變異分析顯示，啟動子上預測的一個功能性變異位點A/G可能是引起表達差異和心白率差異的重要原因。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，表明WCR1G等位型來源于野生稻，而WCR1A則主要存在于熱帶粳稻中。進一步研究發(fā)現(xiàn)，A/G變異引起了OsDOF轉(zhuǎn)錄因子結合位點核心序列的改變，通過酵母單雜、瞬時表達和EMSA實驗驗證了OsDOF17與WCR1啟動子存在互作，并且A/G變異會影響OsDOF17的結合能力。

 

　　為了解析WCR1調(diào)控堊白的分子機制，通過酵母篩庫、BiFC以及Pull-down等實驗篩選到一個WCR1的互作蛋白MT2b。MT2b編碼一個金屬硫蛋白，具有結合金屬離子和清除活性氧（ROS）的作用。研究者從遺傳、生理和生化上證明了WCR1具有調(diào)控MT2b轉(zhuǎn)錄水平和抑制26S蛋白酶體介導MT2b蛋白降解的功能，從而促進ROS清除和延遲胚乳細胞程序性死亡（PCD），最終增加了貯藏物質(zhì)的積累和降低心白率。該項工作不僅闡釋了心白形成的分子機制，同時還解析了堊白的自然變異，挖掘了優(yōu)勢等位基因，為稻米品質(zhì)的改良提供了理論基礎和具有應用前景的基因資源。