Bract suppression regulated by the miR156/529-SPLs-NL1-PLA1 module is required for the transition from vegetative to reproductive branching in rice

21.949

Lei Wang, Luchang Ming, Keyan Liao, Chunjiao Xia, Shengyuan Sun, Yu Chang, Hongkai Wang, Debao Fu, Conghao Xu, Zhengji Wang, Xu Li, Weibo Xie, Yidan Ouyang, Qinglu Zhang, Xianghua Li, Qinghua Zhang, Jinghua Xiao, Qifa Zhang

Molecular Plant, 2021, 14(7): 1168-1184 DOI: 10.1016/j.molp.2021.04.013; 追溯原文......本站官方QQ群：62473826

grass; plant architecture; developmental timing; lateral branch; bract suppression

1 National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and National Center of Plant Gene Research (Wuhan), Hubei Hongshan Laboratory, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

Reproductive transition of grasses is characterized by switching the pattern of lateral branches, featuring the suppression of outgrowth of the subtending leaves (bracts) and rapid formation of higher-order branches in the inflorescence (panicle). However, the molecular mechanisms underlying such changes remain largely unknown. Here, we show that bract suppression is required for the reproductive branching in rice. We identified a pathway involving the intrinsic time ruler microRNA156/529, their targets SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL) genes, NECK LEAF1 (NL1), and PLASTOCHRON1 (PLA1), which regulates the bract outgrowth and thus affects the pattern switch between vegetative and reproductive branching. Suppression of the bract results in global reprogramming of transcriptome and chromatin accessibility following the reproductive transition, while these processes are largely dysregulated in the mutants of these genes. These discoveries contribute to our understanding of the dynamic plant architecture and provide novel insights for improving crop yields.

miR156/529-SPLs-NL1-PLA1模塊抑制苞葉生長(zhǎng)是水稻由營(yíng)養(yǎng)分枝到生殖分枝轉(zhuǎn)變所必需

該研究發(fā)現(xiàn)苞片生長(zhǎng)抑制是水稻由營(yíng)養(yǎng)分枝到生殖分枝轉(zhuǎn)變所必需的，該過(guò)程受miR156/529-SPLs-NL1-PLA1基因模塊的調(diào)控。這一機(jī)制的闡明加深了我們對(duì)水稻株型建成的理解，并為提高作物產(chǎn)量提供了新途徑。
【研究背景】
側(cè)生分枝發(fā)育是株型建成的重要決定因素，作物分枝影響結(jié)實(shí)率。水稻等禾本科作物由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)的過(guò)程中伴隨著側(cè)生分枝模式的轉(zhuǎn)換，包括苞葉（苞片）分枝生長(zhǎng)的抑制以及穗部（圓錐花序）高階分枝的快速產(chǎn)生。然而，目前對(duì)于這種變化的潛在分子調(diào)控機(jī)制在很大程度上仍是未知的。
【主要結(jié)果】
1.miR156/529過(guò)表達(dá)或其靶標(biāo)SPL14/17下調(diào)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因水稻植株，顯示出苞葉過(guò)度生長(zhǎng)表型。在spl14單突以及spl7 spl14 spl17組合的雙突和三突旋生葉序處均出現(xiàn)明顯的苞片，突變體穗軸顯著短于野生型。spl7 spl14 spl17三突稻穗最終表現(xiàn)為富含營(yíng)養(yǎng)枝的多葉表型，導(dǎo)致育性降低（圖1），表明SPLs通過(guò)終止/抑制營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)來(lái)促進(jìn)和/或維持生殖生長(zhǎng)的建成。原位雜交表達(dá)模式分析顯示，miR156/529和SPLs分別在花序分枝分生組織和苞片原基表達(dá)，且它們?cè)跔I(yíng)養(yǎng)和生殖階段的表達(dá)模式存在明顯差異。此外，不同SPLs蛋白之間相似的表達(dá)模式、高度保守的DNA結(jié)合域以及遺傳冗余性表明這些SPLs可能協(xié)同調(diào)控相同下游基因的表達(dá)。
2.NECK LEAF1(NL1)被鑒定能夠抑制苞片生長(zhǎng)和維持生殖分枝的發(fā)育模式。nl1與spl突變體表型類似，且miR156OE nl1和spl14 spl17 nl1植株表型更類似于nl1，表明nl1在穗發(fā)育調(diào)控方面可能上位于SPLs，但miR156OE和spl14 spl17的多蘗表型不能被nl1恢復(fù)。NL1或SPLs單獨(dú)作用不能完全抑制苞片生長(zhǎng)，因此兩者在調(diào)控穗發(fā)育方面是相互依賴的（圖2）。經(jīng)驗(yàn)證，SPL蛋白不僅調(diào)控NL1表達(dá)，而且與NL1互作，表明它們可能通過(guò)調(diào)控相同下游基因的表達(dá)來(lái)發(fā)揮功能。
3.水稻的生殖轉(zhuǎn)變伴隨轉(zhuǎn)錄組重編程的發(fā)生。spl7 spl14 spl17和nl1表現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)期特征，經(jīng)高通量RNA測(cè)序證實(shí)它們的轉(zhuǎn)錄組重編程發(fā)生異常。另外，spl7 spl14 spl17和nl1穗部形成的異位葉和芽表明它們的細(xì)胞命運(yùn)和成分發(fā)生改變。分析結(jié)果顯示SPLs和NL1突變導(dǎo)致染色質(zhì)可及性發(fā)生變化，這部分促成了轉(zhuǎn)錄組重編程的改變。以上表明SPLs和NL1對(duì)于生殖轉(zhuǎn)變后的轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)正常編程是必需的。
4.通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在spl7 spl14 spl17和nl1突變體中，編碼細(xì)胞色素P450 CYP78A11的苞片抑制基因PLA1的表達(dá)顯著降低，表明PLA1可能是SPLs和NL1共同調(diào)控的下游基因。酵母單雜及ChIP實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SPL14和NL1可與PLA1啟動(dòng)子直接結(jié)合。遺傳分析發(fā)現(xiàn)，PLA1過(guò)表達(dá)能較大程度上抑制nl1和spl14 spl17苞片過(guò)度生長(zhǎng)等突變表型的發(fā)生。綜上表明PLA1作為miR156-SPL和NL1的共同下游因子來(lái)抑制苞片的生長(zhǎng)。
【一圖解文】
（A）miR156/529和SPLs的表達(dá)模式。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，miR156/529和SPLs均在幼葉中表達(dá)，miR156的表達(dá)隨著葉片成熟逐漸增加，而SPLs表達(dá)則逐漸下降，從而使葉片進(jìn)行正常的分枝生長(zhǎng)。在生殖生長(zhǎng)階段，miR156/529在穗分生組織中表達(dá)，而SPLs在苞片原基表達(dá)，從而抑制了苞片的生長(zhǎng)。
（B）營(yíng)養(yǎng)分枝至生殖分枝轉(zhuǎn)變的潛在調(diào)控路徑。在水稻穗中，SPLs和NL1協(xié)同調(diào)控生殖過(guò)渡后的轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性，同時(shí)調(diào)控PLA1、PLA2和RI等其他苞片抑制基因的表達(dá)。PLA2和PLA3被集成到共同的下游X因子（一個(gè)或多個(gè)未知基因），以調(diào)控苞片抑制。

►基因列表◄
  葉原基形成間隔期調(diào)控基因 PLA1; CYP78A11
  GATA型轉(zhuǎn)錄因子 NL1; OsGATA15; SNFL1
  Squamosa啟動(dòng)子結(jié)合蛋白; 理想株型基因 OsSPL14; IPA1;WFP
  微RNA miR529a
  微RNA miR529b
  Squamosa啟動(dòng)子結(jié)合蛋白 OsSPL17
  Squamosa啟動(dòng)子結(jié)合蛋白 OsSPL7