科学家揭示植物分生组织维持及分化的分子机制

2019-07-22 09:23栏目:生命科学

袁隆平等研究发现新基因有望提高水稻产量

来自中科院遗传与发育生物学研究所、国家杂交水稻工程技术研究中心等处的研究人员发现了一个可以提高水稻产量的新基因,其有望将其应用于培育新的水稻品种。这一研究成果发布在2月4日的《美国科学院院刊》杂志上。 中科院遗传与发育生物学研究所的李传友研究员和国家杂交水稻工程技术研究中心袁隆平院士共同领导了这一研究。

此研究对分生组织的维持与终止分子机制的研究提供了新的视角,并且阐明了一个单独的转录因子在不同的组织和发育阶段所起的作用是不同的。更有意思的是,FHY3有可能作为一个桥梁分子,通过连接外部信号与细胞内部一系列的响应反应,来协调植物的发育。

本报讯近日,中科院遗传与发育生物学研究所、国家杂交水稻工程技术研究中心等单位的研究人员发现了一个可以提高水稻产量的新基因,有望将其应用于培育新的水稻品种。该研究由中国工程院院士袁隆平和中科院遗传与发育生物学研究所研究员李传友共同领导,相关成果发表于2月4日的《美国科学院院刊》。水稻是最重要的粮食作物之一。粒重、穗数和每穗粒数是决定水稻产量的三大要素。其中,每穗粒数高度的变化,对粮食产量有极大的影响。在幼穗发育期,花序分生组织是粒数的一个重要决定因素。近期,大量水稻研究揭示,分生组织活性降低可导致圆锥花序分支减少,粮食产量减低。因此,分生组织的大小和活力是决定水稻粮食产量的一个重要的决定参数。植物激素细胞分裂素是已知控制顶端分生组织活力的重要因子。以往的研究揭示,在可提高粒数的水稻基因座中,包含着突变的OsCKX2基因。OsCKX2表达减少,可导致花序分生组织CK累积,提高生殖器官数量,提高产量。在这篇文章中,研究人员称,发现了锌指转录因子DST可直接调控生殖分生组织中的OsCKX2表达。研究人员确定了DST的一个半显性等位基因DSTreg1可以扰乱生殖顶端分生组织中DST引导的OsCKX2表达调控,提高CK水平,导致分生组织活力增高,促进圆锥花序分支,进而提高粒数。业内专家认为,新研究揭示了生殖分生组织活力的一个独特的调控子,并确定了一个可对水稻粒数产生巨大影响的等位基因DSTreg1。这些发现对培育新的优良品种,大大提高水稻产量具有重要的意义。 《中国科学报》 (2013-02-07 第4版 综合)

水稻是最重要粮食作物之一,也是世界1/2以上人口的主食。粒重、穗数和每穗粒数是决定水稻产量的三大要素。其中每穗粒数高度变化,对粮食产量有极大的影响。在幼穗发育期,花序分生组织是粒数的一个重要决定因素。近期,大量水稻研究揭示,分生组织活性降低可导致圆锥花序分支减少,粮食产量减低。相比之下,几种数量性状基因座对分生组织活力、圆锥花序分支和谷物产量均起促进作用。因此,生殖分生组织的大小和活力是决定水稻粮食产量的一个重要的决定参数。 植物激素细胞分裂素是已知控制顶端分生组织活力的重要因子。以往的研究揭示在可提高粒数的水稻Gn1a 基因座中,包含着突变的OsCKX2基因。OsCKX2基因可编码一种CK氧化/脱氢酶,催化活性CKs降解。OsCKX2表达减少,可导致花序分生组织CK累积,提高生殖器官数量,提高产量。OsCKX2突变等位基因已成功用于水稻育种实践,提高种子产量。 在这篇文章中研究人员报告称,发现锌指转录因子DST可直接调控生殖分生组织中的OsCKX2表达。DST引导OsCKX2表达调控了顶端分生组织中的CK累积,由此控制了生殖器官的数量。研究人员确定了DST的一个半显性等位基因DSTreg1,可以扰乱生殖顶端分生组织中DST引导的OsCKX2表达调控,提高CK水平,导致分生组织活力增高,促进圆锥花序分枝,由此提高粒数。

金沙国际官网 1图1. FHY3调控花分生组织终止和茎顶端分生组织维持(Li et al., 2016)。金沙国际官网 2图2. FHY3调控分生组织活性的功能模型(Li et al., 2016)。

The phytohormone cytokinin positively regulates the activity and function of the shoot apical meristem , which is a major parameter determining seed production. The rice Gn1a/OsCKX2 (Grain number 1a/Cytokinin oxidase 2) gene, which encodes a cytokinin oxidase, has been identified as a major quantitative trait locus contributing to grain number improvement in rice breeding practice. However, the molecular mechanism of how the expression of OsCKX2 is regulated in planta remains elusive. Here, we report that the zinc finger transcription factor DROUGHT AND SALT TOLERANCE directly regulates OsCKX2 expression in the reproductive meristem. DST-directed expression of OsCKX2 regulates CK accumulation in the SAM and, therefore, controls the number of the reproductive organs. We identify that DSTreg1, a semidominant allele of the DST gene, perturbs DST-directed regulation of OsCKX2 expression and elevates CK levels in the reproductive SAM, leading to increased meristem activity, enhanced panicle branching, and a consequent increase of grain number. Importantly, the DSTreg1 allele provides an approach to pyramid the Gn1a-dependent and Gn1a-independent effects on grain production. Our study reveals that, as a unique regulator of reproductive meristem activity, DST may be explored to facilitate the genetic enhancement of grain production in rice and other small grain cereals.

通过对全基因组ChIP-seq和RNA-seq数据分析,该研究发现FHY3在花中有数百个靶基因,在花发育过程中主要起转录抑制作用,这与其在幼苗时期主要起转录激活作用明显不同。对其结合位点的富集序列分析表明,FHY3有可能和三个花特异表达的转录因子(含有MADS结构域),以及四个参与光形态建成的转录因子(具有碱性螺旋-环-螺旋结构)共同调节花的发育。

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