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李家洋研究組在獨腳金內酯和脫落酸協同調控水稻分蘖方面取得新進展

  水稻是世界上重要的糧食作物,其産量關乎世界糧食安全。分蘖作爲著生稻穗的特殊分枝,是決定水稻産量的核心要素之一。解析水稻分蘖形成的分子機理具有重要的科學意義,在水稻株型改良和品種設計方面也有重要的應用價值。獨腳金內酯(Strigolactone, SL)是一種新型植物激素,通過抑制側芽伸長負調控水稻的分蘖數目。脫落酸(Abscisic acid, ABA)是另一種主要的植物激素,在植物響應非生物和生物脅迫過程中發揮關鍵作用,同時能夠抑制種子萌發以及側枝的生長。SLABA的合成途徑均起源于類胡蘿蔔素合成途徑,all-trans-β-carotene是它們的共同前體,但是SLABA之間是否存在協同調控尚不清楚。 

 

  中國科學院遗传與发育生物学研究所李家洋研究团队长期从事高等植物株型建成的分子机理研究,对水稻分蘖的调控机制进行了系统深入的研究。近期该团队鉴定了一个新的水稻矮生多分蘖突变体tillering 20 (t20),發現T20編碼類胡蘿蔔素合成途徑的關鍵酶15-cis-ζ-carotene isomerase (Z-ISO),参與SLABA合成的協同調控。t20突變體中類胡蘿蔔素合成代謝受到抑制,SLABA含量均顯著降低。 

 

  深入研究發現SLABA之間存在相互調控關系:SL信號途徑能夠上調轉錄因子編碼基因OsHOX12的表達,進而提高ABA合成關鍵基因OsNCED1的表達水平,促進莖基部ABA的合成,可能是SL抑制側芽伸長的重要機制;而ABA通過下調SL合成關鍵基因D10D27的表達,造成SL含量降低,說明ABA抑制SL合成。研究進一步發現,兩種激素分別負責在不同部位調控水稻分蘖,即SL主要抑制水稻莖基部分蘖的形成,而ABA對水稻高節位分蘖的形成發揮抑制作用。在水稻生産中,通過曬田等方式促進ABA産生,能夠有效減少高節位的無效分蘖,提高水稻産量。該研究發現了SLABA合成及信號途徑緊密偶聯進而協同調控水稻分蘖發育的分子機制,對培育高産耐逆水稻具有指導意義,是該領域的一項重要進展。 

 

  該研究于2020106日在Molecular Plant雜志在線發表(DOI:10.1016/j.molp.2020.10.001)。李家洋組已畢業研究生劉學博士、博士生胡慶亮和植物激素平台闫吉軍博士爲該論文的共同第一作者,李家洋組副研究員王冰和植物激素平台褚金芳博士爲共同通訊作者。遺傳發育所王永紅研究員、儲成才研究員、澳大利亞塔斯馬尼亞大學Steven M. Smith教授以及浙江大学吴殿星教授参與了研究工作。该研究得到国家重点研发计划项目、转基因生物新品种培育科技重大专项、中國科學院国际人才计划以及青促会的资助。 

    

图: SL和ABA协同调控水稻分蘖的分子机制