中國(guó)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(jìn)而同時(shí)調(diào)控水稻籽粒大小與抗逆性的新機(jī)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(shí)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(shí)增強(qiáng)水稻抗逆性是對(duì)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(shí)期和生長(zhǎng)環(huán)境，但在作物中對(duì)此了解甚少。

 

　　林鴻宣研究組通過(guò)圖位克隆的方法定位克隆到一個(gè)同時(shí)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(guò)表達(dá)GSA1增加水稻籽粒大小和粒重，同時(shí)提高水稻對(duì)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(guò)程中受到人工選擇。GSA1編碼一個(gè)水稻糖基轉(zhuǎn)移酶UGT83A1，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(lèi)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(zhǎng)素極性運(yùn)輸及生長(zhǎng)素相關(guān)基因表達(dá)量，最終通過(guò)影響細(xì)胞分裂和細(xì)胞增殖而調(diào)控水稻粒型。同時(shí)GSA1也可以將松柏醇、對(duì)香豆醇及芥子醇等木質(zhì)素單體作為糖基轉(zhuǎn)移受體，進(jìn)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(diǎn)）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(diǎn)）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(duì)底物結(jié)合及糖基轉(zhuǎn)移酶活性無(wú)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(jìn)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(qiáng)。過(guò)量表達(dá)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(qiáng)。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(zhuān)家表示，該研究揭示了糖基轉(zhuǎn)移酶通過(guò)調(diào)控代謝流重新定向進(jìn)而同時(shí)調(diào)控水稻粒型與抗逆性的新機(jī)制，為培育高產(chǎn)高抗作物新品種提供了有價(jià)值的基因資源。

 

　　據(jù)悉，該工作獲得科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)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