近日，農(nóng)學(xué)院、未來作物精準(zhǔn)育種基礎(chǔ)研究卓越中心、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室劉耀光院士和謝先榮副研究員團(tuán)隊(duì)在期刊Journal of Integrative Plant Biology發(fā)表了題為“The OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1 regulatory pathway promotes grain length in rice”的研究論文，揭示了OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1模塊調(diào)控水稻粒長的分子機(jī)制，并利用基因編輯技術(shù)對OsPLATZ1啟動子進(jìn)行人為改造，探索了利用該基因改善水稻稻米外觀品質(zhì)和產(chǎn)量的應(yīng)用前景。
水稻籽粒的粒重是影響產(chǎn)量的重要因素之一，其主要決定于籽粒的粒型，包括粒長、粒寬和粒厚，并且對稻米的外觀品質(zhì)有著直接的影響。目前研究已鑒定出多個控制粒型的關(guān)鍵基因，例如OsGRF4/GS3、DEP1、GW8、OsMKKK10等，它們參與了轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控、G蛋白途徑、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、泛素-蛋白酶體、激素等多個通路，但這些因子之間如何協(xié)同整合共同調(diào)控粒型仍有待進(jìn)一步深入解析。
PLATZ（Plant AT-rich sequence and Zinc-binding）是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，通過其鋅指結(jié)構(gòu)域結(jié)合DNA基序調(diào)控基因表達(dá)。在前期的研究中（Wang et al., 2019; Zhou et al., 2019），OsPLATZ1被報道是一個控制每穗粒數(shù)和粒長的基因（命名為GL6/SG6），其功能缺失導(dǎo)致每穗粒數(shù)增加、但粒長顯著變短，然而其在粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的功能有待進(jìn)一步研究。在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了OsPLATZ1是一個具有弱轉(zhuǎn)錄激活功能的轉(zhuǎn)錄因子，可以通過結(jié)合“TGCGCA”基序。電泳遷移率實(shí)驗(yàn)﹑ChIP-qPCR和dual-LUC等實(shí)驗(yàn)表明，OsPLATZ1可靶向激活G蛋白γ亞基編碼基因DEP1的表達(dá)，從而調(diào)控水稻粒長。以O(shè)sPLATZ1為誘餌篩選到其互作蛋白OsGRF4，雙分子螢光互補(bǔ)和蛋白pull-down實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了兩者的物理互作關(guān)系。隨后，電泳遷移率實(shí)驗(yàn)和dual-LUC等實(shí)驗(yàn)表明，OsGRF4可強(qiáng)化OsPLATZ1對其下游靶基因DEP1啟動子的結(jié)合，并促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄活性。
由于OsPLATZ1在控制每穗粒數(shù)和粒長中的功能相反，存在“此增彼減”的問題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了通過微調(diào)OsPLATZ1的表達(dá)來平衡其調(diào)控每穗粒數(shù)和粒型的功能。利用多基因編輯技術(shù)對OsPLATZ1啟動子進(jìn)行編輯，以團(tuán)隊(duì)培育的水稻新品種華光絲苗（HG）為改良對象，獲得了具有不同刪除和插入事件的突變株系，其中株系CRR-3的籽粒長寬比顯著增加，并且整體產(chǎn)量也所有提高，說明其在分子育種中具有一定的應(yīng)用潛力。
綜上所述，該研究揭示了OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1模塊調(diào)控水稻粒長的分子機(jī)制，并且提出了一種利用基因編輯調(diào)控OsPLATZ1啟動子區(qū)改良粒型和產(chǎn)量的途徑，豐富了水稻粒型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻育種提供了分子育種靶點(diǎn)。
農(nóng)學(xué)院博士后陳水福為第一作者，劉耀光院士和謝先榮副研究員為論文的通訊作者，陳樂天教授、陳遠(yuǎn)玲副研究員等也參與了該項(xiàng)研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家資助博士后研究人員計劃和博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.70009
