Rice SPL12 coevolved with GW5 to determine grain shape
Xiao-Fan Zhang, Chun-Yan Yang, Hong-Xuan Lin, Jia-Wei Wang, Hong-Wei Xue
Science Bulletin, 2021, 66(23): 2353-2357 DOI: 10.1016/j.scib.2021.05.005; 追溯原文......本站官方QQ群：62473826
a School of Life Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, Chinab Joint Center for Single Cell Biology/School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
c National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
Asian cultivated rice (Oryza sativa L.) is a staple food crop in China. Accordingly, many studies have focused on grain size and weight as a means to increase rice yield. Two main subgroups of cultivated rice, Indica and Japonica, have evolved independently under natural and human selection, and a key morphological difference between these subgroups is grain shape: slender in Indica rice and ovate in Japonica. Elucidating the genetic basis of grain shape will provide insights into rice evolution and open new avenues for molecular breeding of improved grain shape.
SPL12與GW5協(xié)作，共同決定水稻粒形
水稻是我國重要的糧食作物之一，粒型是決定水稻產(chǎn)量與稻米品質(zhì)的重要因素之一。亞洲栽培稻分為秈稻與粳稻兩個(gè)亞種，秈粳稻在生理特性上存在許多顯著區(qū)別，在粒型性狀上，秈稻粒細(xì)長而粳稻粒短圓。研究水稻的起源演化對合理和有效利用種質(zhì)資源及品種改良具有重要參考價(jià)值，對水稻粒型調(diào)控機(jī)制的研究有助于闡明秈粳稻籽粒發(fā)育調(diào)控分子機(jī)制的差異，也將為粒型性狀改良提供理論基礎(chǔ)。該研究發(fā)現(xiàn)，水稻轉(zhuǎn)錄因子SQUAMOSA promoter-binding protein-like 12 (OsSPL12) 與粒型調(diào)控關(guān)鍵基因 Grain Width 5 (GW5) 存在協(xié)同進(jìn)化的可能，最終導(dǎo)致秈粳稻粒型的差異。
SPLs是植物特有的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族，參與多種發(fā)育過程和生理活動(dòng)的調(diào)控。水稻SPLs家族成員在產(chǎn)量性狀調(diào)控方面發(fā)揮重要作用，例如 IDEAL PLANT ARCHITECTURE1 (IPA1)/OsSPL14抑制水稻分蘗并促進(jìn)穗分枝，Grain Width8 (GW8)/OsSPL16特異調(diào)控水稻粒寬等。
該研究通過進(jìn)化和功能分析，發(fā)現(xiàn)水稻OsSPL12參與秈粳稻粒型差異的調(diào)控。首先通過群體遺傳學(xué)與功能學(xué)的雙重驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)秈粳稻OsSPL12在轉(zhuǎn)錄激活域的一個(gè)單核苷酸多態(tài)性(Single Nucleotide Polymorphism, SNP) SNP1066能顯著改變OsSPL12的轉(zhuǎn)錄活性，導(dǎo)致秈稻OsSPL12具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活性；對轉(zhuǎn)基因材料粒型的分析進(jìn)一步明確了低活性的粳稻OsSPL12能促進(jìn)粒寬而高活性的秈稻OsSPL12則抑制粒寬。
利用轉(zhuǎn)基因材料幼穗組織進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，秈稻OsSPL12影響更多下游基因的表達(dá)，其中調(diào)控粒寬的關(guān)鍵基因 GW5受秈稻OsSPL12特異調(diào)控。對基因啟動(dòng)子的分析發(fā)現(xiàn)，GW5的啟動(dòng)子區(qū)域存在多個(gè)SPLs家族識別與結(jié)合的基序(GTAC)，提示OsSPL12可能直接結(jié)合在GW5的啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)而調(diào)控其轉(zhuǎn)錄。進(jìn)一步結(jié)合“3000份水稻基因組計(jì)劃”數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)OsSPL12的等位基因與GW5等位基因存在交互作用，即秈稻SPL12與秈稻GW5的組合顯著抑制粒寬。
此前的研究表明，粳稻中GW5的低表達(dá)主要是由于GW5啟動(dòng)子上游約5 kb處一段1212-bp的缺失。研究發(fā)現(xiàn)，該1212-bp區(qū)域富含大量GTAC基序且OsSPL12可以直接與該區(qū)域結(jié)合并調(diào)控下游基因的表達(dá)，推測在秈稻中OsSPL12與1212-bp以增強(qiáng)子-啟動(dòng)子的方式促進(jìn)了GW5的表達(dá)。
綜上所述，該研究闡明了水稻馴化中OsSPL12與GW5存在共進(jìn)化并協(xié)同決定水稻粒型，證明了OsSPL12在秈粳稻粒型分化上的重要作用，也為未來針對粒型改良的精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的分子模塊。
►基因列表◄
Squamosa啟動(dòng)子結(jié)合蛋白; 冠狀根數(shù);SBP基因 OsSPL12
鈣調(diào)素結(jié)合蛋白; 粒寬; 粒重 GSE5; GW5; qSW5