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王学路课题组揭示水稻中胚轴驯化的遗传和分子机制

南湖网讯(通讯员 孙世勇)2018年6月28日,Nature Communications发表了我校生命科学技术学院王学路团队的最新研究成果:“Natural selection of a GSK3 determines rice mesocotyl domestication by coordinating strigolactone and brassinosteroid signaling”。该研究首次揭示了植物激素油菜素甾醇协同独脚金内酯决定水稻中胚轴驯化的遗传和分子机制。论文通讯作者为华中农业大学的王学路教授,该研究团队的孙世勇研究员和王涛博后为共同第一作者。

胚轴的伸长是种子萌发后顶土出苗的动力,中胚轴的伸长是与禾本科作物出苗密切相关的重要株型性状。中胚轴的长度在野生稻和栽培稻中的多样性呈现明显差异,具有优良的中胚轴伸长能力的种质将能推动水稻从传统的移秧耕种方式向节约劳动力和水资源的直播耕种模式的转变。因此,揭示水稻中胚轴发育的驯化、遗传、细胞和生化机制是向高效节约型耕种模式转变的推动力。

该研究首先通过水稻中胚轴长度的GWAS分析,发现并证明了油菜素甾醇(Brassinosteroids, BRs)信号通路的关键组分OsGSK2编码区的等位变异通过改变自身激酶活性决定了水稻中胚轴长度的自然变异和从野生稻到栽培稻的驯化;BRs促进水稻中胚轴伸长主要通过OsGSK2磷酸化调控一类植物特有的功能未知的细胞周期蛋白CYC U2的蛋白稳定性来促进细胞分裂;进一步研究发现独脚金内酯(Strigolactones,SLs)通过D3降解被OsGSK2磷酸化的CYC U2来抑制中胚轴的伸长。该研究不仅揭示了BRs协同SLs共同调控水稻中胚轴的驯化和伸长的分子机制,也揭示了由OsGSK2介导的BR信号通路在水稻中的驯化机制。

本研究发现的新细胞周期蛋白CYC U2受油菜素甾醇信号和独脚金内酯信号关键组分协同调控的遗传、生化和进化机制,回答了长期以来人们探究的油菜素甾醇和/或独脚金内酯如何调控中胚轴伸长的科学问题,具有重要的理论意义。这些发现为通过改良水稻中胚轴伸长从而促进水稻直播模式的发展提供了具有自主知识产权的新基因、独特的等位变异和新途径。

王学路教授团队长期从事植物中油菜素甾醇、独脚金内酯和脱落酸信号转导互作网络和调控植物环境适应性、菌植互作和植物生长发育机制的研究。与本研究密切相关的研究,包括在2013年发现独脚金内酯信号通过MAX2调控油菜素甾醇信号组分BES1的蛋白稳定性调控拟南芥分枝的机制(Developmental Cell, 2013)。在2015年发现油菜素甾醇信号通过OsGSK2调控另一个新的细胞周期蛋白CYC U4的活性,调控水稻叶片直立性发育的机制(Developmental Cell, 2015)。另外,在拟南芥中揭示了水稻OsGSK2在拟南芥的同源基因BIN2和ABA信号转导通路互作的机制(PNAS, 2009, 2014; Molecular Plant 2017, 2018),以及BIN2参与油菜素甾醇调控根毛发育的机制(eLife, 2014)。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04952-9

审核人 王学路