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水稻OsCTPS1合酶调控早期胚乳发育的功能与机制

时间: 2021-06-04 点击次数:次 作者:


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2021年5月31日,Plant Biotechnology Journal在线发表了韩国庆熙大学Gynheung An(安镇兴)教授所带领团队完成的题为“CTP synthase is essential for early endosperm development by regulating nuclei spacing”的研究成果。该研究发现水稻三磷酸胞苷合酶OsCTPS1通过调控胚乳核间距,从而在早期胚乳发育过程中发挥至关重要的作用。

研究背景

胚乳是谷粒的主要组成部分,它储存着淀粉、蛋白质和种子早期萌发所需的其他营养物质。胚乳发育的最明显特征之一是受精的中央细胞(又称受精极核)在发育早期(合胞体阶段)进行快速核分裂,而不形成细胞壁,从而导致多核细胞的产生,这一过程在决定种子大小方面起重要作用。尽管一些与谷物胚乳储存相关的基因已被研究,但在水稻中仅鉴定发现了少数影响早期胚乳发育的基因。

主要结果

1.enl2-1突变体表型鉴定与图位克隆

本研究对种子发育缺陷的粳稻品种个体进行鉴定发现,有1/4的种子发育异常,其中一些表现为早熟发芽,其后代种子皱缩,胚乳异常,胚显著大于WT,因此将该突变体命名为endospermless2-1(enl2-1)。多数突变体种子能够萌发,但初始生长缓慢,初生根长变短,根尖分生组织因细胞数量的减少而较小(图1)。经图位克隆发现,enl2-1表型的改变是由Os01g43020第三个外显子中A到T的单核苷酸突变所导致。该位点编码一种与CTP合酶高度同源的蛋白,并包含保守的CTP合酶结构域,故将Os01g43020命名为Oryza sativa CTP synthase 1(OsCTPS1)。表达模式分析显示,OsCTPS1在处于分裂期细胞中表达较高。

2.突变体种子的合胞胚乳存在缺陷

水稻早期胚乳发育分为1–2DAP(授粉1-2天后)的合胞期和3DAP的细胞化期。为检测突变体出现缺陷潜在原因,对早期发育阶段的种子进行观察发现,WT种子胚乳核在1DAP开始分裂,2DAP分裂加快并出现分离,这将胚乳核的分布引导至胚乳细胞的外周。在3DAP合胞胚乳进入细胞化阶段。而enl2-2突变体种子在1DAP就已形成块状胚乳核,核的数量在2DAP稍有增加,但这些核不被分离,也不能迁至外围。在3DAP多数突变体胚乳核出现退化。利用共聚焦显微观察发现,WT和突变体胚乳在授粉后8小时(HAP)均表现正常。在24HAP时,WT胚乳核显著增加,且一些核迁移到胚乳外周。与此相反,enl2-2胚乳仍包含约10-16个核,并形成一个无法迁移的聚集结构。这表明enl2-2胚乳核在停止前分裂了三到四次。

3.OsCTPS1蛋白与微管蛋白结合

由上述表型推测,OsCTPS1可能参与径向维管系统(RMS)的形成,它对于核的分布是必需的。通过抗体及核染色观察发现,1DAP的WT胚乳核在RMS作用下间隔分布,而enl2-2胚乳核被紧密包裹,可能是由于相关RMS的减少所致,表明OsCTPS1可能参与胚乳发育期间的微管组织。免疫沉淀及验证结果显示,OsCTPS1与α和β微管蛋白结合(图2)。此外,过表达荧光观察结果表明,当enl2显示出胚乳缺陷表型时,OsCTPS1蛋白在胚乳发育早期阶段短暂性形成了大分子结构。

4.OsCTPS1过表达提高了籽粒产量

为检测OsCTPS1表达量的增加是否促进胚乳发育,利用玉米ubiquitin启动子驱动OsCTPS1过表达,结果发现,OsCTPS1过表达植株的籽粒大小、粒长/宽/厚以及千粒重显著大于WT。在60HAP,过表达植株籽粒中形成了更多的胚乳细胞(图3)。这些结果表明OsCTPS1表达量的增加可促进胚乳中的核分裂,从而增加籽粒大小。

小结

OsCTPS1突变导致胚乳核产生异常中止,无法进行分离并迁移到胚乳外周,这些缺陷表明OsCTPS1参与微管形成,而OsCTPS1与维管蛋白的结合进一步证实了这一假设。早期发育阶段,OsCTPS1在胚乳中暂时性形成大分子结构,进一步支持 OsCTPS1可能在胚乳发育期间作为结构性组分发挥功能。此外,OsCTPS1过表达通过促进胚乳核分裂增加了种子重量,表明该特性可用于增加谷物产量。


论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13644


 

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