Plant Physiol | 浙江师范大学张可伟课题组揭示细胞分裂素参与调控水稻叶枕发育和叶夹角大小的机制

来源：BioArt植物

株型是决定水稻产量的重要因素，而叶夹角是其中重要的农艺性状之一。直立叶适宜密植，可减少植株间的相互遮蔽，增加光合效率，提高作物产量。叶夹角的大小主要由叶枕控制，叶枕发育过程中的细胞分裂和伸长能导致叶片倾角的改变。细胞分裂素（cytokinin, CK）是调控农作物形态生理和产量的重要激素之一，与干细胞分裂、穗发育、株型、氮肥利用、环境胁迫等均密切相关，但在调控水稻叶枕发育和叶夹角大小中的作用仍然未知。

2022年8月29日，浙江师范大学生化学院张可伟教授课题组在Plant Physiology在线发表了题为“Cytokinins Regulate Rice Lamina Joint Development and Leaf Angle”的研究论文，揭示了细胞分裂素参与调控水稻叶枕发育和叶夹角大小的机制。

细胞分裂素在叶夹角形成中的作用尚不清楚，为了揭示细胞分裂素在水稻叶夹角形成中的调控作用，研究者首先利用CRISPR-Cas9基因编辑技术创制的水稻10个细胞分裂素氧化酶突变体（osckx1-11）进行表型分析，发现osckx3突变体的叶角变小，而过表达株系 (OsCKX3-OE) 的叶角增大（图1）。

图 1. OsCKX3敲除突变体和过表达株系的叶夹角表型鉴定

组织切片显示，osckx3和OsCKX3-OE株系叶片倾角变化是由于叶枕细胞和维管束不对称增殖所致。qRT-PCR、启动子融合的GUS表达和亚细胞定位分析表明OsCKX3在叶枕中高量表达，OsCKX3-GFP融合蛋白定位于内质网（ER）。体外重组OsCKX3蛋白对反式（trans-Zeatin，tZ）和异戊烯基腺嘌呤 (isopentenyladenine，iP) 表现出较强的偏好性，但是对其他形式的细胞分裂素没有催化活性。与此相对应叶枕处的激素测定结果显示，tZ 和 iP 在osckx3突变体中增加，但在OsCKX3过表达株系中减少。qRT-PCR结果显示细胞分裂相关基因 CYC U4;1在osckx3突变体中表达增加，但在 OsCKX3 过表达株系中减少。说明细胞分裂素正向调控水稻叶枕中CYC U4;1基因的表达，从而负调控叶夹角（图2）。前人研究表明CYC U4;1受油菜素内酯（BR）信号负调控。因此，我们推测BR和细胞分裂素可能通过CYC U4;1节点拮抗调控叶夹角大小。BR信号缺陷突变体能显著减小叶夹角，与此同时也及降低了株高和籽粒大小。有意思的是osckx3的叶夹角变小，但是株高不变，其一次枝梗数、籽粒大小、千粒重和剑叶大小均有所增加。

综上所述，该研究揭示敲除OsCKX3基因能提高叶枕处的细胞分裂素水平从而负调控叶夹角，进一步表明细胞分裂素代谢途径在作物改良上具有巨大潜力。

图2. OsCKX3介导CK稳态调控水稻叶枕发育和叶夹角的示意图模型。

浙江师范大学生化学院张可伟教授为通讯作者，张可伟课题组黄鹏博士和赵江哲博士为该论文的第一作者。硕士生洪佳乐、朱宝、夏帅和本科生韩平飞以及生化学院朱恩高博士为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和国家重点研发专项的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac401