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华中农业大学揭示水稻同时调控粒宽和叶宽的分子机制

   2024-05-21 华中农业大学19370
  5月3日,华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室胡红红课题组在The Plant Cell上发表了题为“Variation in WIDTH OF LEAF AND GRAIN contributes to grain and leaf size by controlling LARGE2 stability in rice”的研究论文。研究结果表明,水稻RING类型的E3泛素连接酶WLG能通过影响LARGE2的蛋白稳定性调控水稻叶宽和粒宽的发育,从而影响水稻的穗粒数和单株产量。该研究对解析水稻叶形和粒形发育机制和水稻遗传育种改良具有重要意义。
 
  水稻作为世界上重要的粮食作物之一,其产量对于粮食安全具有重要影响。而种子大小和剑叶宽度是影响水稻产量的重要农艺性状。谷粒宽度和粒长,粒重决定谷粒大小,影响谷粒重量,从而影响水稻产量。剑叶通过向种子提供碳水化合物来影响水稻谷粒大小和产量。目前水稻中有大量基因被报道可以调控粒宽或剑叶宽度,也有一些基因被报道能同时调控叶宽和粒宽,但在遗传水平能同时调控水稻粒宽和叶宽两个性状的基因位点却鲜有被鉴定和报道。
 
  在该研究中,研究人员对水稻群体进行了3年的剑叶宽度数据统计,并结合同一水稻群体2年的粒宽数据,利用GWAS全基因组关联分析,在8号染色体上鉴定到能同时调控叶片宽度和谷粒宽度的一个基因位点WIDTH OF LEAF AND GRAIN(WLG)。WLG编码一个RING-H2类型的E3泛素连接酶,该基因在编码区的变异导致了水稻品种叶宽和粒宽的差异。WLG在群体中分为两个单倍型,具有WLGhap.A的水稻品种比具有WLGhap.B的水稻品种剑叶和谷粒窄。敲除WLG降低剑叶和谷粒的宽度,而WLG的过表达能显著增加剑叶和谷粒的宽度,并且同等水平过量表达的WLGhap.B对粒宽和叶宽具有更大的效应。
 
  研究人员发现,WLG可以与先前报道的调控穗大小、粒宽和叶宽的HECT类E3连接酶LARGE2互作,并泛素化LARGE2。LARGE2中Lys1021的突变导致WLG对LARGE2的泛素化能力极大减弱。WLG的突变导致LARGE2蛋白在水稻中的积累。wlg突变体中突变LARGE2后,粒宽和叶宽表型都偏向于large2,说明了WLG主要是通过调控LARGE2蛋白的稳定性来调控叶宽和粒宽的表型的。同时该研究也发现WLG-LARGE2调控粒宽和叶宽可能是通过细胞分裂素介导的途径来完成的。
 
  该研究还发现WLGhap.B的E3泛素连接酶活性较WLGhap.A明显增强,并且WLGhap.B与LARGE2的互作强度也相对增加。在无细胞体系实验中,含有WLGhap.B 的水稻品种或WLGhap.B 过量表达的水稻植株中比含有WLGhap.A 或WLGhap.A过量表达植株中LARGE2的蛋白被降解得更快,这也就从遗传上解释了WLG的变异导致粒宽和叶宽的差异的主要原因。
 
  综上所述,该研究揭示了WLG-LARGE2模块在控制谷粒宽度和剑叶宽度的分子和遗传机制,并表明WLGhap.B是一个优势等位基因,具有改良水稻叶形和粒形的潜力。
 
  华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室博士研究生岳志闯为第一作者,胡红红教授为通讯作者。华中农业大学的熊立仲教授、李一博教授和欧阳亦聃教授也参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委资助。
 
  原文链接:https://doi.org/10.1093/plcell/koae136
 
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