華中農(nóng)業(yè)大學(xué)揭示水稻同時(shí)調(diào)控粒寬和葉寬的分子機(jī)制

　　5月3日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室胡紅紅課題組在The Plant Cell上發(fā)表了題為“Variation in WIDTH OF LEAF AND GRAIN contributes to grain and leaf size by controlling LARGE2 stability in rice”的研究論文。研究結(jié)果表明，水稻RING類型的E3泛素連接酶WLG能通過(guò)影響LARGE2的蛋白穩(wěn)定性調(diào)控水稻葉寬和粒寬的發(fā)育，從而影響水稻的穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量。該研究對(duì)解析水稻葉形和粒形發(fā)育機(jī)制和水稻遺傳育種改良具有重要意義。

 

　　水稻作為世界上重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量對(duì)于糧食安全具有重要影響。而種子大小和劍葉寬度是影響水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀。谷粒寬度和粒長(zhǎng)，粒重決定谷粒大小，影響谷粒重量，從而影響水稻產(chǎn)量。劍葉通過(guò)向種子提供碳水化合物來(lái)影響水稻谷粒大小和產(chǎn)量。目前水稻中有大量基因被報(bào)道可以調(diào)控粒寬或劍葉寬度，也有一些基因被報(bào)道能同時(shí)調(diào)控葉寬和粒寬，但在遺傳水平能同時(shí)調(diào)控水稻粒寬和葉寬兩個(gè)性狀的基因位點(diǎn)卻鮮有被鑒定和報(bào)道。

 

　　在該研究中，研究人員對(duì)水稻群體進(jìn)行了3年的劍葉寬度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合同一水稻群體2年的粒寬數(shù)據(jù)，利用GWAS全基因組關(guān)聯(lián)分析，在8號(hào)染色體上鑒定到能同時(shí)調(diào)控葉片寬度和谷粒寬度的一個(gè)基因位點(diǎn)WIDTH OF LEAF AND GRAIN（WLG）。WLG編碼一個(gè)RING-H2類型的E3泛素連接酶，該基因在編碼區(qū)的變異導(dǎo)致了水稻品種葉寬和粒寬的差異。WLG在群體中分為兩個(gè)單倍型，具有WLGhap.A的水稻品種比具有WLGhap.B的水稻品種劍葉和谷粒窄。敲除WLG降低劍葉和谷粒的寬度，而WLG的過(guò)表達(dá)能顯著增加劍葉和谷粒的寬度，并且同等水平過(guò)量表達(dá)的WLGhap.B對(duì)粒寬和葉寬具有更大的效應(yīng)。

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，WLG可以與先前報(bào)道的調(diào)控穗大小、粒寬和葉寬的HECT類E3連接酶LARGE2互作，并泛素化LARGE2。LARGE2中Lys1021的突變導(dǎo)致WLG對(duì)LARGE2的泛素化能力極大減弱。WLG的突變導(dǎo)致LARGE2蛋白在水稻中的積累。wlg突變體中突變LARGE2后，粒寬和葉寬表型都偏向于large2，說(shuō)明了WLG主要是通過(guò)調(diào)控LARGE2蛋白的穩(wěn)定性來(lái)調(diào)控葉寬和粒寬的表型的。同時(shí)該研究也發(fā)現(xiàn)WLG-LARGE2調(diào)控粒寬和葉寬可能是通過(guò)細(xì)胞分裂素介導(dǎo)的途徑來(lái)完成的。

 

　　該研究還發(fā)現(xiàn)WLGhap.B的E3泛素連接酶活性較WLGhap.A明顯增強(qiáng)，并且WLGhap.B與LARGE2的互作強(qiáng)度也相對(duì)增加。在無(wú)細(xì)胞體系實(shí)驗(yàn)中，含有WLGhap.B 的水稻品種或WLGhap.B 過(guò)量表達(dá)的水稻植株中比含有WLGhap.A 或WLGhap.A過(guò)量表達(dá)植株中LARGE2的蛋白被降解得更快，這也就從遺傳上解釋了WLG的變異導(dǎo)致粒寬和葉寬的差異的主要原因。

 

　　綜上所述，該研究揭示了WLG-LARGE2模塊在控制谷粒寬度和劍葉寬度的分子和遺傳機(jī)制，并表明WLGhap.B是一個(gè)優(yōu)勢(shì)等位基因，具有改良水稻葉形和粒形的潛力。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室博士研究生岳志闖為第一作者，胡紅紅教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的熊立仲教授、李一博教授和歐陽(yáng)亦聃教授也參與了該研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae136