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李家洋研究组在独脚金内酯和脱落酸协同调控水稻分蘖方面取得新进展

  水稻是世界上重要的粮食作物,其产量关乎世界粮食安全。分蘖作为着生稻穗的特殊分枝,是决定水稻产量的核心要素之一。解析水稻分蘖形成的分子机理具有重要的科学意义,在水稻株型改良和品种设计方面也有重要的应用价值。独脚金内酯(Strigolactone, SL)是一种新型植物激素,通过抑制侧芽伸长负调控水稻的分蘖数目。脱落酸(Abscisic acid, ABA)是另一种主要的植物激素,在植物响应非生物和生物胁迫过程中发挥关键作用,同时能够抑制种子萌发以及侧枝的生长。SLABA的合成途径均起源于类胡萝卜素合成途径,all-trans-β-carotene是它们的共同前体,但是SLABA之间是否存在协同调控尚不清楚。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究团队长期从事高等植物株型建成的分子机理研究,对水稻分蘖的调控机制进行了系统深入的研究。近期该团队鉴定了一个新的水稻矮生多分蘖突变体tillering 20 (t20),发现T20编码类胡萝卜素合成途径的关键酶15-cis-ζ-carotene isomerase (Z-ISO),参与SLABA合成的协同调控。t20突变体中类胡萝卜素合成代谢受到抑制,SLABA含量均显著降低。 

 

  深入研究发现SLABA之间存在相互调控关系:SL信号途径能够上调转录因子编码基因OsHOX12的表达,进而提高ABA合成关键基因OsNCED1的表达水平,促进茎基部ABA的合成,可能是SL抑制侧芽伸长的重要机制;而ABA通过下调SL合成关键基因D10D27的表达,造成SL含量降低,说明ABA抑制SL合成。研究进一步发现,两种激素分别负责在不同部位调控水稻分蘖,即SL主要抑制水稻茎基部分蘖的形成,而ABA对水稻高节位分蘖的形成发挥抑制作用。在水稻生产中,通过晒田等方式促进ABA产生,能够有效减少高节位的无效分蘖,提高水稻产量。该研究发现了SLABA合成及信号途径紧密偶联进而协同调控水稻分蘖发育的分子机制,对培育高产耐逆水稻具有指导意义,是该领域的一项重要进展。 

 

  该研究于2020106日在Molecular Plant杂志在线发表(DOI:10.1016/j.molp.2020.10.001)。李家洋组已毕业研究生刘学博士、博士生胡庆亮和植物激素平台闫吉军博士为该论文的共同第一作者,李家洋组副研究员王冰和植物激素平台褚金芳博士为共同通讯作者。遗传发育所王永红研究员、储成才研究员、澳大利亚塔斯马尼亚大学Steven M. Smith教授以及浙江大学吴殿星教授参与了研究工作。该研究得到国家重点研发计划项目、转基因生物新品种培育科技重大专项、中国科学院国际人才计划以及青促会的资助。 

    

图: SL和ABA协同调控水稻分蘖的分子机制