中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士研究組揭示了水稻糖基轉(zhuǎn)移酶影響代謝流重新定向，進而同時調(diào)控水稻籽粒大小與抗逆性的新機制。5月26日，該研究成果論文發(fā)表于《自然—通訊》。
粒型是影響水稻產(chǎn)量的主要因素之一，同時水稻產(chǎn)量經(jīng)常遭受干旱、高鹽和高溫等非生物脅迫的影響，如何提高水稻產(chǎn)量的同時增強水稻抗逆性是對科研人員和育種工作者的挑戰(zhàn)課題。植物需不斷調(diào)整體內(nèi)代謝流以適應(yīng)不同發(fā)育時期和生長環(huán)境，但在作物中對此了解甚少。
林鴻宣研究組通過圖位克隆的方法定位克隆到一個同時調(diào)控水稻粒型與抗逆性的QTL GSA1。GSA1是粒型與抗逆性的正向調(diào)控因子，過表達GSA1增加水稻籽粒大小和粒重，同時提高水稻對高鹽、干旱及高溫的抗性。核苷酸多態(tài)性分析顯示，GSA1在非洲野生稻馴化為非洲栽培稻以及亞洲野生稻馴化為粳稻的過程中受到人工選擇。GSA1編碼一個水稻糖基轉(zhuǎn)移酶UGT83A1，體外實驗證實GSA1具有廣譜的糖基轉(zhuǎn)移酶活性，以尿苷二磷酸（UDP）為糖基供體，以山奈酚、柚皮素及槲皮素等黃酮類代謝物為糖基轉(zhuǎn)移受體，調(diào)控水稻體內(nèi)黃酮糖苷譜，間接影響黃酮介導(dǎo)的生長素極性運輸及生長素相關(guān)基因表達量，最終通過影響細胞分裂和細胞增殖而調(diào)控水稻粒型。同時GSA1也可以將松柏醇、對香豆醇及芥子醇等木質(zhì)素單體作為糖基轉(zhuǎn)移受體，進而調(diào)控木質(zhì)素含量，這可能也是調(diào)控水稻粒型的原因。GSA1CG14（非洲稻位點）中位于PSPG保守結(jié)構(gòu)域內(nèi)的氨基酸變異A349T導(dǎo)致GSA1CG14結(jié)合UDP的能力比GSA1WYJ（亞洲稻位點）明顯下降，糖基轉(zhuǎn)移酶活性顯著降低，而位于非保守域的氨基酸變異A246V則對底物結(jié)合及糖基轉(zhuǎn)移酶活性無影響。木質(zhì)素合成途徑以及黃酮代謝途徑是苯丙烷通路的重要分支。
進一步研究表明，逆境脅迫下GSA1參與代謝流從木質(zhì)素合成途徑重新定向于黃酮糖苷合成途徑，木質(zhì)素合成途徑下調(diào)而黃酮糖苷包括花青素合成相關(guān)通路上調(diào)，導(dǎo)致水稻抗逆性的增強。過量表達GSA1WYJ顯著增加逆境脅迫下黃酮糖苷及花青素的含量，引起水稻抗逆性增強。而敲除GSA1造成逆境下代謝流重新定向的紊亂，黃酮糖苷合成受阻，水稻抗逆性減弱。
專家表示，該研究揭示了糖基轉(zhuǎn)移酶通過調(diào)控代謝流重新定向進而同時調(diào)控水稻粒型與抗逆性的新機制，為培育高產(chǎn)高抗作物新品種提供了有價值的基因資源。
據(jù)悉，該工作獲得科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16403-5
