华南农业大学王海洋/沈荣鑫团队在水稻株型与粒型调控、柱头外露率调控基因挖掘与利用方面取得新进展

来源：BioArt植物

近日，华南农业大学王海洋/沈荣鑫团队连续在Plant Biotechnology Journal上和Journal of Experimental Botany上发表论文，分别报道了该团队在在水稻柱头外露率调控基因挖掘与利用，以及水稻BR信号关键基因OsBSK1-1调控株型与粒型的分子机理方面取得的最新进展。两篇论文介绍如下：

1. 近日，王海洋/沈荣鑫团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为Targeted manipulation of grain shape genes effectively improves outcrossing rate and hybrid seed production in rice的研究论文，提出了一种挖掘柱头外露新基因的有效策略。该研究鉴定到了调控柱头外露率的关键基因GS3、GW8和GS9，并利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了GS3、GW8和GS9的单突与多突变体，发现gs3/gw8/gs9显著提高籼稻和粳稻的柱头外露率（提升至50%以上）和杂交制种产量，且不影响水稻的生长发育与农艺性状，在杂交稻育种上具有重要的应用价值。此外，该研究还探究了突变体柱头外露率提高的细胞与分子基础。研究结果为水稻柱头外露率调控机制的解析奠定了重要基础，为高柱头外露率不育系的培育提供了有效策略。

在水稻杂交制种过程中，高柱头外露率的不育系是提高制种产量的关键。虽然已经报道了大量与柱头外露率相关的数量性状位点，但极少有基因被克隆和功能表征，严重阻碍了不育系柱头外露率的遗传改良和育种效率的提高。因此，挖掘水稻柱头外露率的关键调控基因对提高杂交水稻的制种产量具有重要价值。

该研究对已克隆的调控颖花大小的基因进行了表达、功能及遗传效应的综合分析，筛选出了GS3，GW8和GS9作为候选柱头外露关键基因。这些基因是颖花长度的负调节或颖花宽度的正调节因子，且GS3，GW8和GS9的 表达趋势与柱头的发育趋势一致。更重要的是，它们的功能丧失可以提高谷物质量且不会对水稻的其他农艺性状产生不利影响。进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了GS3、GW8和GS9单突，双突和三突突变体，通过对它们的颖花，柱头和柱头外露率表型进行统计分析，发现gs3、gw8和gs9都参与了颖花和柱头的发育调控，影响其长度或宽度，进而提高柱头外露率，而且三突的柱头外露率提高可提升至50%以上。更重要的是，gs3/gw8/gs9对水稻的生长发育和农艺性状无负面影响。

另外，对三突的颖花和柱头进行了细胞学观察，发现gs3/gw8/gs9促进颖花和柱头细胞的纵向分裂和抑制其横向细胞分裂。转录组分析表明野生型ZH11与突变体雌蕊差异表达基因富集在细胞分裂、微管结合活性、细胞壁重塑等生物学过程中，与细胞学观察结果一致。

 最后，为了验证gs3/gw8/gs9柱头外露率的提升能否增加异交率，研究进一步比较了亲本ZH11与gs3/gw8/gs9分别与刘耀光院士团队创制的“赤晶米”种质的天然异交率，结果表明gs3/gw8/gs9的异交率大大提高。为了验证这些基因的遗传修饰能否增加水稻不育系的杂交制种产量，在低柱头外露率的籼稻不育系Zhu6S（柱头外露率<25%）背景下利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了这三个基因的功能缺失突变体材料（Edited Zhu6S）。Edited Zhu6S柱头外露率显著提高（60%以上）。进一步对Edited Zhu6S进行田间杂交制种实验，发现Edited Zhu6S杂交制种产量显著高于野生型，相对于野生型（~25%）提高了一半。这些结果显示GS3、GW8和GS9在改良水稻柱头外露率及增加杂交制种产量上的重要应用价值。

 GS3、GW8和GS9的突变体显著增加水稻柱头外露率和异交率

华南农业大学沈荣鑫副教授和王海洋教授为论文通讯作者，华南农业大学硕士研究生朱薪宇，博士研究生苟亚军和衡月芹副教授为论文共同第一作者。广东省农业科学院水稻研究所周德贵副研究员，中国农业科学院作物科学研究所吴传银研究员参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.13959

 2. 近日，王海洋/沈荣鑫团队联合中国农业科学院生物技术研究所在Journal of Experimental Botany上在线发表了题为OsBSK1-1, a positive regulator of brassinosteroid signaling, modulates plant architecture and grain size in rice的论文。该研究克隆了一个调控水稻株型与粒型的新基因OsBSK1-1，揭示了OsBSK1-1作为“脚手架”蛋白（scaffold protein）直接连接OsBRI1与OsGSK2，通过解除了OsGSK2对OsBZR1的抑制作用正调控BR信号的新机制，完善了水稻BR信号分子调控网络，并可为改良水稻株型与粒型均提供了理论依据。

油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）是一类重要的植物激素，调控植物生长、发育、抗逆等各种重要生物学途径。科学家已在拟南芥中建立了由油菜素内酯受体蛋白BRI1及其共受体BAK1识别BRs，并激活下游信号转导途径，最终激活转录因子BZR1/BES1，BZR1/BES1单独或与其它转录因子协同调控下游靶基因表达的经典信号模型。BRs对水稻株型、粒型、抗性均有重要影响，但目前水稻BR信号调控网络研究的相对较少，水稻BR信号元件及调控网络有待挖掘和阐明。

本研究通过同源克隆的方式，克隆了水稻OsBSK1-1，该基因编码类受体胞质激酶XII亚家族蛋白。OsBSK1-1与拟南芥AtBSK1与水稻OsBSK3亲缘关系较近，在水稻叶鞘、叶枕及小穗（12 cm）中表达量较高；且蛋白产物定位于细胞膜。

在Kitaake中用CRISPR手段敲除OsBSK1-1后出典型的BR不敏感表型，包括株高变矮、分蘖减少、籽粒变小等，并且对外源BR的敏感性降低；OsBSK1-1过表达植株表型与野生型无明显差异，对外源BR敏感性却较野生型显著增强；而过表达一个功能增强突变形OsBSK1-1（OsBSK1-1A295V）则呈现典型的BR过敏感表型。因此，推断OsBSK1-1通过正向调控BR信号的传递调控水稻株型与粒型。

进一步研究表明，OsBSK1-1可与BR信号受体蛋白OsBRI1互作，并且可被其磷酸化。同时OsBSK1-1又与BR信号负调控因子OsGSK2激酶互作，并且可抑制OsGSK2的激酶活性。遗传实验显示过表达OsBSK1-1^A295V可抑制OsBRI1突变体（d61-1）的BR不敏感表型；同时OsBSK1-1^A295V过表达植株与OsGSK2功能增强型突变过表达植株（Go）的杂交后代可抑制Go的BR不敏感表型。因此推断OsBSK1-1在遗传上位于OsBRI1下游，OsGSK2上游。

综上所述，本研究提出了一个OsBSK1-1的分子调控模型：OsBSK1-1可与BR信号受体蛋白OsBRI1互作，并被OsBRI1磷酸化；磷酸化后的OsBSK1-1增强了与BR信号负调控因子OsGSK2蛋白激酶互作，抑制OsGSK2的激酶活性，进而解除了OsGSK2对OsBZR1的抑制作用，介导BR对水稻株型调控。研究还显示OsBSK1-1可能参与G蛋白途径调控水稻粒型。

OsBSK1-1介导水稻BR信号传导的分子模型

中国农业科学院生物技术研究所博士后田鹏与山东农业科大学生命科学学院刘家范教授为该论文的共同第一作者；华南农业科大学生命科学学院沈荣鑫副教授与王海洋教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金以及广东省自然基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/erac429