近日，Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表題為“LAZY3 interacts with LAZY2 to regulate tiller angle by modulating shoot gravity perception in rice”的論文，揭示了水稻重力感應(yīng)器官中淀粉代謝參與水稻莖早期的重力感應(yīng)機(jī)制，豐富了水稻的重力反應(yīng)和分蘗角度的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。生命科學(xué)學(xué)院在讀博士生宋宇琪為該論文的共同第一作者，生命科學(xué)學(xué)院王永紅教授和王文廣副教授為該論文的通訊作者。

分蘗角度作為水稻株型建成的重要因素之一，是決定水稻群體有效種植密度和單位面積產(chǎn)量的關(guān)鍵。之前的研究表明水稻的分蘗角度與莖的重力反應(yīng)密切相關(guān)。植物的重力反應(yīng)是指植物感受到重力刺激后重新調(diào)整生長(zhǎng)方向從而維持各器官與重力方向最適角度的一種現(xiàn)象。經(jīng)典的淀粉平衡石學(xué)說(shuō)認(rèn)為植物對(duì)重力的感應(yīng)是通過(guò)植物體內(nèi)富含淀粉的造粉體沉降來(lái)實(shí)現(xiàn)的,造粉體在重力感應(yīng)細(xì)胞中作為平衡石起到感應(yīng)重力的作用。植物如何感應(yīng)重力一直是植物科學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

該研究發(fā)現(xiàn)核基因編碼的葉綠體蛋白LAZY3(LA3)作為水稻重力感應(yīng)細(xì)胞中淀粉合成的必需因子，通過(guò)介導(dǎo)水稻早期的重力感應(yīng)參與調(diào)控水稻莖的重力反應(yīng)和分蘗角度。該研究利用一個(gè)自發(fā)突變的水稻分蘗角度突變體la3，通過(guò)圖位克隆的方法克隆了LA3基因。研究表明，la3突變體分蘗角度與野生型相比顯著增大，其重力反應(yīng)和生長(zhǎng)素側(cè)向運(yùn)輸存在嚴(yán)重缺陷。通過(guò)對(duì)重力感應(yīng)器官中的淀粉進(jìn)行染色發(fā)現(xiàn)，la3突變體重力感應(yīng)組織中淀粉完全缺失。LA3編碼一個(gè)葉綠體定位的蛋白，可以通過(guò)其色氨酸富集區(qū)(Tryptophan-rich region，TRR)內(nèi)的兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)域與淀粉結(jié)合，從而呈現(xiàn)出點(diǎn)狀分布的亞細(xì)胞定位特征。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)LA3與實(shí)驗(yàn)室前期鑒定到的一個(gè)重力感應(yīng)組織中淀粉合成的必需因子LA3互作，并與淀粉合成途徑中的關(guān)鍵酶OspPGM形成蛋白復(fù)合體調(diào)控水稻重力感應(yīng)器官中淀粉的合成，進(jìn)而通過(guò)介導(dǎo)水稻早期的重力感應(yīng)調(diào)控水稻重力反應(yīng)和分蘗角度。遺傳學(xué)分析表明LA3與LA2作用于同一個(gè)遺傳途徑中，并位于水稻分蘗角度關(guān)鍵調(diào)控因子LA1的上游參與調(diào)控水稻重力反應(yīng)和分蘗角度。有趣的是，盡管la3和la2突變體的重力感應(yīng)器官中淀粉完全缺失，但其重力反應(yīng)僅部分缺陷，分蘗角度也僅適度增大，表明水稻中存在一條不依賴于淀粉平衡石的重力感應(yīng)途徑。該研究不僅極大地豐富了水稻分蘗角度的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也對(duì)淀粉平衡石學(xué)說(shuō)提出了挑戰(zhàn)。更為重要的是，LA1、LA2、LA3基因?qū)ζ渌a(chǎn)量性狀沒(méi)有顯著影響，對(duì)于三個(gè)基因的深入研究將在水稻株型改良、提高群體產(chǎn)量中發(fā)揮重要作用。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省頂尖人才“一事一議”項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14031 

供稿單位：生命科學(xué)學(xué)院

編      輯：萬(wàn)千              

審      核：賈波