兩個(gè)拮抗的bHLH轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻種子休眠的調(diào)控

金晶，儲(chǔ)成才

兩個(gè)拮抗的bHLH轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻種子休眠的調(diào)控

金晶，儲(chǔ)成才

嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣州 510642

種子休眠(seed dormancy)是指有生活力的種子在適宜的萌發(fā)條件下不能萌發(fā)的現(xiàn)象，且其程度受環(huán)境調(diào)節(jié)[1,2]。種子休眠不僅為種子傳播擴(kuò)散爭(zhēng)取了時(shí)間，也是調(diào)節(jié)種子最佳時(shí)間、空間萌發(fā)的有效方法，是植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化而獲得的一種對(duì)環(huán)境尤其是季節(jié)性變化的適應(yīng)性生存策略[2]。然而，在作物馴化過(guò)程中，由于考慮到大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐需要保證種子播種后發(fā)芽的一致性，往往忽略了對(duì)種子適度休眠的保留，導(dǎo)致種子在收獲期如遇高溫高濕條件籽粒易在穗上萌發(fā)的現(xiàn)象，也稱(chēng)為穗發(fā)芽(pre- harvest sprouting)[3]。穗發(fā)芽不僅會(huì)造成作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還會(huì)影響作物制種質(zhì)量和下一季播種，嚴(yán)重威脅糧食安全。近年來(lái)隨著全球氣候變化和極端天氣的頻發(fā)，導(dǎo)致水稻、小麥、大麥等禾谷類(lèi)作物穗發(fā)芽嚴(yán)重，造成減產(chǎn)[4]。在我國(guó)南方由于梅雨季節(jié)的影響，穗發(fā)芽常會(huì)導(dǎo)致常規(guī)稻6%的栽培面積損失，雜交稻損失更可高達(dá)20%[5]；有報(bào)道表明，僅面包小麥每年因穗發(fā)芽造成的損失就達(dá)10億美元以上[6]。通過(guò)基因調(diào)控使作物種子進(jìn)行適度休眠是減輕或避免穗發(fā)芽損失的最有效手段。因此，克隆調(diào)控水稻、小麥等重要作物種子休眠關(guān)鍵基因，闡明種子休眠的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)異等位變異，對(duì)解決水稻等禾谷類(lèi)作物穗發(fā)芽問(wèn)題具有重要意義。

由于休眠是一個(gè)由多基因控制的復(fù)雜性狀且受環(huán)境影響，因此難以進(jìn)行準(zhǔn)確的表型鑒定。雖然在水稻中已有100多個(gè)相關(guān)QTL位點(diǎn)被鑒定，但只有、/、/等幾個(gè)基因被克隆[7～10]。而/和/等基因由于同時(shí)調(diào)控種皮顏色或株高等，而白米及矮化育種已廣泛推廣利用，使得利用這些基因改良水稻休眠性來(lái)解決穗發(fā)芽問(wèn)題變的較為困難，生產(chǎn)上缺乏改良現(xiàn)有水稻穗發(fā)芽的關(guān)鍵基因資源。因此，挖掘和鑒定能在生產(chǎn)實(shí)踐中改良水稻穗發(fā)芽且對(duì)其他農(nóng)藝性狀無(wú)不良影響的關(guān)鍵基因至關(guān)重要。

2022年12月5日，發(fā)表了題為“Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH transcription factors”的研究論文[11]。該研究通過(guò)構(gòu)建可穩(wěn)定檢測(cè)到休眠位點(diǎn)的高密度染色體單片段代換系群體，從強(qiáng)休眠水稻品種Kasalath中克隆了一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因，并驗(yàn)證了其調(diào)控功能。進(jìn)一步篩選SD6互作蛋白發(fā)現(xiàn)另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子ICE2也參與調(diào)控種子休眠。利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物化學(xué)等技術(shù)，揭示了兩個(gè)拮抗的轉(zhuǎn)錄因子可通過(guò)調(diào)控ABA代謝和合成，調(diào)控體內(nèi)ABA含量，實(shí)現(xiàn)種子休眠與萌發(fā)的切換(圖1)。該研究還進(jìn)一步解析了SD6-ICE2分子模塊感應(yīng)外界環(huán)境調(diào)控種子休眠的分子機(jī)制。有意思的是，利用基因編輯對(duì)多個(gè)易發(fā)生穗發(fā)芽的主栽水稻品種進(jìn)行基因改良，同時(shí)在小麥品種科農(nóng)199中對(duì)同源基因進(jìn)行改良，結(jié)果表明，改良的水稻和小麥品種穗發(fā)芽均得到顯著改善[11]。因此，這一研究成果對(duì)提升糧食品質(zhì)和種業(yè)安全均具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

由于種子休眠是一個(gè)受遺傳和環(huán)境調(diào)控的極其復(fù)雜性狀，使得克隆鑒定調(diào)控該性狀基因變得十分困難。該研究從強(qiáng)休眠稻Kasalath和弱休眠現(xiàn)代水稻品種日本晴(Nipponbare)構(gòu)建的染色體單片段代換系材料中選取一個(gè)具有強(qiáng)休眠表型的片段代換系Q27。該系以日本晴為背景，僅在水稻第六號(hào)染色體上有Kasalath片段滲入。利用Q27與日本晴雜交，在F2代中選取純合穩(wěn)定交換株系進(jìn)行表型鑒定，并根據(jù)基因型和表型信息，利用圖位克隆方法，將該基因定位到～20 kb區(qū)間，借助表達(dá)模式和基因序列信息，確定了候選基因。通過(guò)近等基因系、突變體、過(guò)表達(dá)株系等證實(shí)了該基因調(diào)控休眠的功能[11]?；虻目寺∈抢脝纹未鷵Q系和穩(wěn)定純合交換株系相結(jié)合定位策略解析復(fù)雜性狀的成功范例。

圖1 SD6-ICE2調(diào)控水稻種子休眠示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11]修改繪制。

基因編碼一個(gè)bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子。通過(guò)篩選SD6互作蛋白，鑒定到另一水稻bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子ICE2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SD6與ICE2均能直接靶向脫落酸(ABA)重要代謝基因啟動(dòng)子，通過(guò)分別識(shí)別啟動(dòng)子上G-box或E-box基序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一靶基因的精準(zhǔn)調(diào)控。另一方面，SD6和ICE2能拮抗性調(diào)控另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子bHLH048，間接調(diào)控ABA合成基因[11]。通過(guò)這種調(diào)控模式，SD6-ICE2分子模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻休眠和萌發(fā)的精準(zhǔn)調(diào)控。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)一對(duì)拮抗性bHLH轉(zhuǎn)錄因子直接或間接調(diào)控ABA代謝與合成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子休眠重要激素ABA的精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)而影響種子休眠或萌發(fā)進(jìn)程的全新調(diào)控模式。

溫度是影響種子休眠長(zhǎng)短的重要因素之一[12]。通常情況下，溫暖環(huán)境可縮短種子休眠期，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫使得種子更易維持休眠狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，SD6-ICE2分子模塊具備感知外界溫度變化調(diào)控休眠的功能。在室溫下，維持高表達(dá)，而基因表達(dá)受到抑制，從而促進(jìn)種子的萌發(fā)。而在低溫條件下，基因表達(dá)受到強(qiáng)烈抑制，基因表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而使種子維持休眠[11](圖1)。該研究表明，水稻種子可以通過(guò)SD6-ICE2分子模塊感知外界溫度變化，動(dòng)態(tài)調(diào)控種子休眠和萌發(fā)，使得種子能夠適應(yīng)季節(jié)性變化。

眾所周知，種子休眠是重要的馴化性狀。在野生環(huán)境下，種子需要休眠來(lái)避免不良環(huán)境，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物需要縮短休眠以利于播種后發(fā)芽的一致性。因此，進(jìn)一步分析在水稻馴化過(guò)程中的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，幾乎所有野生稻都包含強(qiáng)休眠等位，而馴化栽培稻在所有亞群中都具有弱休眠等位變異[11]。觀察發(fā)現(xiàn)，含有強(qiáng)休眠等位基因的遺傳材料在田間表現(xiàn)出抗穗發(fā)芽特性。進(jìn)一步利用基因編輯技術(shù)對(duì)目前易穗發(fā)芽主栽水稻品種天隆619、武運(yùn)粳27和淮稻5號(hào)進(jìn)行遺傳改良，結(jié)果表明，不同背景水稻改良材料在大田下穗發(fā)芽均獲得顯著改善，且對(duì)其他農(nóng)藝性狀沒(méi)有不良影響。有意思的是，對(duì)小麥基因的改良，也能顯著改善小麥穗發(fā)芽。這表明基因在水稻和小麥中調(diào)控種子休眠功能是保守的，為水稻和小麥穗發(fā)芽改良提供了行之有效的策略[11]。

總之，現(xiàn)有栽培作物既要求適時(shí)整齊萌發(fā)，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，又要保留一定的休眠，防止穗發(fā)芽，這對(duì)種子質(zhì)量和糧食安全至關(guān)重要。因此，精準(zhǔn)、高效平衡萌發(fā)與休眠對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。該研究成功克隆了調(diào)控水稻休眠關(guān)鍵基因，并揭示了SD6和ICE2這對(duì)功能拮抗的bHLH轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同ABA合成和代謝，從而調(diào)控休眠和萌發(fā)的轉(zhuǎn)化。這一研究成果不僅揭示了種子休眠適應(yīng)性的分子生理機(jī)制，也為培育抗穗發(fā)芽水稻和小麥提供了重要的基因資源，對(duì)保障糧食安全和提升糧食品質(zhì)均具有重要意義。

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2022-12-26;

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金晶，博士，講師，研究方向：小肽信號(hào)和養(yǎng)分高效利用遺傳機(jī)制解析。E-mail：jingjin@scau.edu.cn

儲(chǔ)成才，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物養(yǎng)分高效利用分子機(jī)制解析和分子設(shè)計(jì)育種。E-mail：ccchu@scau.edu.cn

10.16288/j.yczz.22-420