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Plant Cell | 秦跟基课题组与合作者揭示水稻花药适时开裂的分子机制

日期: 2024-02-21

植物的花药是花粉发育和贮藏的重要场所,适时的花药开裂和散粉对植物成功结实至关重要,对农作物生产和杂种优势利用具有重要意义。已有研究表明植物重要激素茉莉素(Jasmonate,JA)在促进花药开裂过程中起到非常关键的作用。以重要粮食作物水稻为例,在水稻花药发育早期 JA含量较低,而在花药发育后期JA积累促进花药的适时开裂。然而,花药发育过程中JA合成和含量精确调控的分子机制仍然不清楚。

2024年2月,威尼斯澳门人登录welcome秦跟基课题组与江苏省农业科威尼斯澳门人登录welcome种质资源与生物技术研究所张保龙课题组合作在国际著名植物学专业期刊Plant Cell上发表了题为“Rice transcriptional repressor OsTIE1 controls anther dehiscence and male sterility by regulating JA biosynthesis”的论文,揭示了水稻OsTIE1(Oryza sativa TCP Interactor containing EAR motif protein 1)转录抑制因子和OsTCP1转录因子形成转录调控模块精细调控花药发育过程中JA的合成,从而实现对花药适时开裂的精准控制。

秦跟基课题组前期鉴定到模式植物拟南芥中转录抑制因子TIE1通过与植物中转录因子TCP相互作用调控植物叶片发育(Zhang et al. Plant Cell, 2013)。为解析TIE1在水稻中的同源基因OsTIE1的功能,用CRISPR/Cas9定点敲除技术获得了敲除OsTIE1基因的两个不同的等位突变体ostie1-1ostie1-3。表型观察发现ostie1-1ostie1-3均表现不育(图1A)。通过正反交实验确定了其雌配子体正常而雄配子体不正常。对花药发育的各个阶段进行细致观察,发现ostie1-1ostie1-3在颖花还未开放时花药就已经开裂散粉(图1A)。OsTIE1在花药中特异表达,其编码的蛋白定位在细胞核中并具有转录抑制活性。通过生化实验确定了OsTIE1与OsTCP1相互作用。转录组分析发现在ostie1-1ostie1-3的花药中,JA合成途径相关基因与野生型对照相比表达量显著升高。进一步通过激素测定发现ostie1-1ostie1-3的花药中JA含量也相应显著升高,说明OsTIE1抑制水稻花药中JA的合成和积累。与OsTIE1相互作用的OsTCP1可直接结合在JA合成基因OsLOX11OsLOX6的启动子区并激活其表达,并且在花药中增加OsTCP1的表达可导致与ostie1-1ostie1-3突变体相似的花药提前开裂的表型,说明OsTCP1具有促进花药中JA合成和积累的作用。

1. 水稻花药适时开裂的分子机制。(A) 野生型水稻和Ostie1突变体水稻的花药。Ostie1的花药在花粉未成熟和颖壳闭合时就提前开裂。(B) OsTCP1-OsTIE1精细调控花药开裂的工作模型。OsTCP1促进JA合成,而OsTIE1与OsTCP1相互作用抑制JA合成,JA含量高低决定了花药何时开裂。

该成果不仅发现了控制水稻花药开裂的两个重要因子转录因子OsTCP1和转录抑制因子OsTIE1,还揭示了OsTIE1-OsTCP1形成转录调控复合体精细调控水稻花药中重要植物激素JA的合成和积累,从而避免水稻在花粉还未成熟时花药开裂而导致花粉败育的分子机制(图1B),为分子设计培育新型水稻不育系提供了基因资源和理论基础。

北京大学已毕业的方宇星博士、江苏省农业科威尼斯澳门人登录welcome郭冬姝副研究员、威尼斯澳门人登录welcome博士生王怡为该论文的共同第一作者。威尼斯澳门人登录welcome秦跟基教授和江苏省农业科威尼斯澳门人登录welcome张保龙研究员为该论文的共同通讯作者。北京大学博士生王宁、江苏省农业科威尼斯澳门人登录welcome方先文研究员和张云辉研究员、华南农业大学陈乐天教授和云南大学余迪求教授做了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、西南联合研究生院、江苏省农业生物重点实验室和中山生物育种实验室的支持。

原文链接:https://academic.oup.com/plcell/article-lookup/doi/10.1093/plcell/koae028