水稻作為全世界最重要的糧食作物之一，養(yǎng)育著全球半數(shù)以上的人口。水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)直接關(guān)乎我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前，我國(guó)作物遺傳育種技術(shù)處于表型選擇到分子育種的過(guò)渡階段，突破作物傳統(tǒng)遺傳育種的瓶頸，發(fā)展精準(zhǔn)高效的分子設(shè)計(jì)育種，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆的作物優(yōu)良品種已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。水稻產(chǎn)量性狀主要由分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重三個(gè)要素構(gòu)成。它們之間相輔相成。當(dāng)前，由于作物復(fù)雜性狀之間的偶聯(lián)性和權(quán)衡效應(yīng)，導(dǎo)致克隆的一些重要基因未在育種實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，或者只有少數(shù)馴化選擇相關(guān)基因以及部分具有弱突變效應(yīng)的等位基因被利用，使得品種間同質(zhì)化嚴(yán)重、遺傳多樣性降低。因此，如何打破復(fù)雜性狀之間的偶聯(lián)性，找到性狀之間相互作用及維持平衡的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而耦合優(yōu)異等位變異，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的精準(zhǔn)改良，是分子設(shè)計(jì)育種研究亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
為了解析作物復(fù)雜性狀偶聯(lián)的分子遺傳基礎(chǔ)，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣研究組以水稻產(chǎn)量性狀關(guān)鍵構(gòu)成要素每穗粒數(shù)和粒型作為切入點(diǎn)，在水稻中克隆了調(diào)控每穗粒數(shù)和粒型協(xié)調(diào)發(fā)育平衡的重要基因GSN1.在此基礎(chǔ)上提出并建立了水稻穗型發(fā)育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級(jí)聯(lián)信號(hào)通路，并證實(shí)GSN1是該信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子，由此構(gòu)建了產(chǎn)量性狀穗型與粒型協(xié)調(diào)發(fā)育平衡的分子模塊GSN1-MAPK(Guo et al. Plant Cell，2018)。研究組進(jìn)一步通過(guò)鑒定水稻關(guān)鍵類受體激酶基因OsER1.建立了調(diào)控水稻穗型發(fā)育的OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6-DST-OsCKX2信號(hào)通路(Guo et al. Plant Cell，2020)。盡管該通路是目前已報(bào)道的水稻穗型發(fā)育調(diào)控較為完整的信號(hào)通路，但類受體激酶OsER1上游特異性的小肽配體分子尚不清楚。
3月24日，林鴻宣研究組和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授柴繼杰研究組合作，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，發(fā)表了題為Optimization of rice panicle architecture by specifically suppressing ligand-receptor pairs的研究論文，揭示了小肽-類受體激酶信號(hào)特異性調(diào)控水稻穗型發(fā)育的分子機(jī)制，首次通過(guò)特異性抑制小肽配體-受體對(duì)打破水稻產(chǎn)量性狀之間的偶聯(lián)性，塑造水稻理想穗型，為作物分子設(shè)計(jì)育種提供新模塊。
2017年，研究組鑒定類受體激酶基因OsER1的功能缺失突變體oser1發(fā)現(xiàn)，盡管秈稻豐矮占1號(hào)(FAZ1)背景下的oser1突變體表現(xiàn)為粗稈大穗，且抗衰老，但因育性損失，水稻產(chǎn)量并沒(méi)有提高。由于缺少優(yōu)良的等位變異或弱突變，復(fù)雜性狀之間的偶聯(lián)性帶來(lái)的權(quán)衡效應(yīng)使得OsER1基因缺少育種價(jià)值。研究組思考，除了利用啟動(dòng)子基因編輯大規(guī)模創(chuàng)建人工QTL篩選優(yōu)良的等位變異之外，能否通過(guò)其他策略打破復(fù)雜性狀之間的偶聯(lián)性和權(quán)衡效應(yīng)，從而塑造高產(chǎn)的水稻理想穗型?
研究組以水稻OsEPF/OsEPFLs基因家族為切入點(diǎn)，系統(tǒng)鑒定了該家族成員基因的表達(dá)模式，進(jìn)一步利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，在秈稻FAZ1背景下通過(guò)敲除OsEPFL5、OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9等小肽編碼基因，獲得了一系列基因功能缺失突變體。這些單突在不同程度上影響了水稻每穗粒數(shù)、粒型大小和育性等產(chǎn)量性狀。研究通過(guò)考察不同突變組合的9種雙突表型發(fā)現(xiàn)，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9負(fù)向協(xié)同調(diào)控水稻每穗粒數(shù)，而OsEPFL5具有正向調(diào)控功能。研究考慮到OsER1基因的負(fù)向調(diào)控功能，推測(cè)OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9可能是識(shí)別OsER1類受體激酶、特異性調(diào)控水稻穗型發(fā)育的小肽配體。進(jìn)一步，研究組與柴繼杰研究組合作，通過(guò)體外表達(dá)和純化類受體激酶OsER1胞外域和不同成熟肽配體，利用體外和體內(nèi)生化實(shí)驗(yàn)證明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9成熟肽可以識(shí)別類受體蛋白激酶OsER1.從而激活下游的MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)。同時(shí)，遺傳上位性分析表明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9作用于OsER1的上游發(fā)揮功能。研究發(fā)現(xiàn)OsEPFL8基因特異性參與水稻育性的形成，研究考察不同突變組合的5個(gè)三突和四突的產(chǎn)量性狀發(fā)現(xiàn)，雖然三突osepfl6;7;8、osepfl6;7;9、osepfl6;8;9、osepfl7;8;9和四突osepfl6;7;8;9均表現(xiàn)出與oser1突變體類似的表型，但四突osepfl6;7;8;9和oser1突變體的表型近乎一致。研究考察不同突變組合的產(chǎn)量性狀發(fā)現(xiàn)，由于沒(méi)有影響水稻的育性，三突osepfl6;7;9單株產(chǎn)量提高了約14.4%，小區(qū)測(cè)產(chǎn)相較于FAZ1增產(chǎn)約7.3%。研究證明，通過(guò)特異性抑制OsEPFL6-OsER1、OsEPFL7-OsER1和OsEPFL9-OsER1配體-受體可以打破水稻產(chǎn)量性狀之間的偶聯(lián)性，從而優(yōu)化水稻穗型結(jié)構(gòu)，塑造高產(chǎn)的理想穗型。綜上所述，該研究不僅揭示了小肽-類受體激酶信號(hào)調(diào)控水稻花序形態(tài)建成的分子機(jī)制，并證明了一種合理的分子設(shè)計(jì)思路即通過(guò)特異性抑制配體-受體對(duì)來(lái)克服復(fù)雜性狀之間的偶聯(lián)和權(quán)衡效應(yīng)，為未來(lái)作物分子設(shè)計(jì)育種提供新的分子模塊。
研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)等的支持。
2023年3月27日
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院
