农学院作物抗性与化学生态学研究团队揭示OsbZIP49转录因子调控水稻分蘖角度和株型的作用机制

  发布时间: 2021-10-03   信息员:   

        2021928日,The Plant Journal在线发表了福建农林大学农学院作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室作物抗性与化学生态学研究团队题为Transcription Factor OsbZIP49 Controls Tiller Angle and Plant Architecture through the Induction of Indole-3-acetic Acid-amido Synthetases in Rice的研究论文。该研究发现bZIP转录因子中的TGA家族成员OsbZIP49通过控制局部生长素稳态来调控水稻分蘖角度和株型。

水稻(Oryza sativa L.)是我国最重要的粮食作物,大田生产中水稻产量的高低与株型密切相关,而分蘖角度是株型的重要决定因素之一。生长素在株型调控方面发挥至关重要的作用,但是其潜在的代谢和信号转导机制仍不清楚。

水稻植株在节点、茎基部和叶枕等特殊机械部位表现出向重力性响应。在水稻中,一些分蘖角度调控因子往往在这些组织中特异性表达。本研究发现,TGA家族转录因子OsbZIP49在以上重力感应组织中特异性表达。过表达OsbZIP49的转基因水稻植株表现出分蘖扩展表型,并且株高和节间长度明显低于野生型。相反,CRISPR/Cas9介导的OsbZIP49敲除株系植株结构紧凑(图1)。向重力性试验结果显示,OsbZIP49过表达水稻幼苗的向重力性弯曲显著降低,而敲除株系与之相反,表明OsbZIP49通过减弱水稻茎的向重力性来调控分蘖角度。

1. OsbZIP49敲除、过表达和亲本野生型(Kitaake)水稻植株的表型

  

进一步研究发现,吲哚-3-乙酸酰胺合成酶基因OsGH3-2OsGH3-13OsbZIP49过表达株系中显著上调表达。经验证,OsbZIP49与两基因启动子上的TGACG基序结合,以激活其表达。在过表达OsbZIP49的水稻株系中,GH3催化的IAA-氨基酸偶联增加,导致IAA-AspIAA-Glu积累增加,局部游离生长素、生长素糖缀合物(IAA-Glc)和色胺(Trp依赖性IAA生物合成途径的前体)水平降低。这说明,OsbZIP49促进了GH3介导的生长素分解代谢。

外源IAANAA可部分恢复OsbZIP49过表达株系的茎向重力性响应。此外,生长素转运抑制剂NPA处理并不影响OsbZIP49敲除株系的向重力性弯曲。敲除OsbZIP49导致茎基部内OsGH3-2OsGH3-13的表达水平降低,并且在重力刺激后IAA积累和OsIAA20表达水平增加。这些结果表明,OsbZIP49调控的茎向重力性并不依赖于生长素极性运输,而是依赖于生长素的局部积累。


2. OsbZIP49通过诱导OsGH3-2OsGH3-13转录介导水稻分蘖角度和株型的调控机制

  

该研究成果揭示了新的水稻株型调控机制,即转录因子OsbZIP49 通过诱导OsGH3-2OsGH3-13基因编码的吲哚-3-乙酸-酰胺合成酶来控制茎的向重性和分蘖角度,这些酶催化生长素与氨基酸结合形成没有活性的复合物,进而影响局部生长素的积累与稳态,最终控制分蘖角度和株型影响水稻产量。阐明水稻株型的调控分子机制对提高水稻产量具有重要意义,为主要粮食作物的分子育种提供了理论基础。农学院丁朝晖博士后和林娴慧博士生为论文的共同第一作者,宋圆圆研究员为本文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和福建省自然科学基金的资助与支持。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15515