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林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理

 

题目:ERECTA1 Acts Upstream of the OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 Cascade to Control Spikelet Number by Regulating Cytokinin Metabolism in Rice
期刊:Plant Cell
影响因子:9.618
文章作者:博士后郭韬和博士研究生卢紫琦
通讯作者:林鸿宣院士
客户单位:中国科学院分子植物科学卓越创新中心
ABclonal引用产品和服务:OsER1 & GSN1(抗体定制),anti-His(AE028)

 

导读

水稻产量性状是由多基因控制的复杂数量性状,容易受到环境变化的影响。水稻产量主要由每株有效分蘖数、每穗粒数和粒重三个因素共同决定的(Xing et al., 2010)。水稻的有效分蘖数直接决定了每株的穗数,每穗粒数则是由一级枝梗数目和二级枝梗数目以及枝梗上的小穗数目共同决定的,而水稻种子的粒长、粒宽、粒厚以及籽粒灌浆程度又直接决定了粒重。这三个内部要素之间相辅相成,共同决定水稻的产量。

一般而言,影响水稻产量的这些内部要素之间并不是呈现出简单的累加效应,而是存在一定的负相关性,直接制约了水稻产量的提高。如何破除效应壁垒,突破各个要素之间的相互制约性,找到要素之间相互作用以及维持平衡的结点,成为当前水稻科学研究以及分子设计育种所面临的一个挑战。

2018年,林鸿宣院士研究组鉴定到一个控制水稻粒型大小和每穗粒数双重发育过程的关键磷酸酶GSN1,其可以对丝裂原活化蛋白激酶OsMPK6进行去磷酸化修饰(Guo et al., 2018)。此外该研究还鉴定了控制水稻穗型发育的上游重要激酶OsMKKK10,进一步确立了调控水稻花序形态建成的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联通路,提出了该通路是平衡水稻每穗粒数和粒型大小的关键信号。最终提出假设:即GSN1-MAPK分子模块可能通过整合下游的细胞分裂素和油菜素内酯信号影响局部细胞特化和细胞分裂,从而精细调控水稻每穗粒数和粒型大小之间的协同发育。然而,GSN1-MAPK分子模块上游和下游的具体组分还不太清楚。

 

近日,国际植物学著名期刊Plant Cell在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士研究组题为ERECTA1 Acts Upstream of the OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 Cascade to Control Spikelet Number by Regulating Cytokinin Metabolism in Rice的研究论文。该研究首次报道了类受体激酶信号通过MAPK级联通路调控细胞分裂素代谢,进而参与水稻穗型发育的新机制,为作物产量分子设计育种提供了理论基础。

在本项研究中,作者通过遗传筛选回复gsn1表型的突变体,鉴定了一个编码类受体蛋白激酶的关键基因ERECTA1 (OsER1)。研究发现,OsER1通过调控局部细胞分裂参与水稻穗部形态建成,是水稻每穗粒数的负调控因子(Figure 1)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 1. OsER1 is responsible for rice panicle morphogenesis and negatively regulates spikelet number per panicle.

遗传和生化实验表明,OsER1作用于OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号的上游,通过调控OsMPK6的磷酸化水平控制水稻穗型发育。此外作者还发现,OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6信号通路通过维持正常水稻幼穗中细胞分裂素水平控制花序的形态建成,最终决定每穗粒数的形成(Figure 2)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 2. The OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 pathway is required to modulate cytokinin metabolism.

进一步通过酵母双杂交筛库,鉴定出一个与OsMPK6互作的锌指转录因子DST(Huang et al., 2009; Li et al., 2013)。体内和体外实验表明,OsMPK6可以和DST发生蛋白互作,并且OsMPK6对DST进行磷酸化修饰(Figure 3)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 3. OsMPK6 interacts with and phosphorylates DST.

双荧光报告实验证明,OsMPK6对DST的磷酸化增强了DST对下游细胞分裂素氧化酶基因OsCKX2的转录激活活性,从而促进穗发育过程中细胞分裂素的降解,维持细胞分裂素的正常水平(Figure 4)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 4. OsMPK6-mediated phosphorylation of DST enhances its transcriptional activity and positively regulates OsCKX2 expression.

此外,转基因遗传实验表明,过表达DST或者OsCKX2都能回复oser1、osmkkk10、osmkk4和osmpk6 突变体每穗粒数增多的表型,表明OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6信号通路在遗传上依赖于DST-OsCKX2分子模块(Figure 5)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 5. The OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 pathway controls DST-OsCKX2 moduledependent regulation of spikelet number per panicle.

该研究首次揭示了细胞分裂素代谢调控的上游感知信号,不仅为理解植物花序形态建成和可塑性的分子调控机理提供了新的视野,也为作物产量的遗传改良提供了新的策略(Figure 6)。

《林鸿宣院士研究组揭示MAPK级联信号通过细胞分裂素代谢调控水稻穗型发育的分子机理》

Figure 6. Proposed working model of the role of the OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6-DSTOsCKX2 pathway in determining spikelet number per panicle in rice.

林鸿宣研究组博士后郭韬和博士研究生卢紫琦为该论文的共同第一作者。研究组单军祥博士、叶汪薇博士、董乃乾博士参与了该项工作。该项目得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、中国博士后科学基金会和上海市“超级博士后”激励计划等相关经费资助。

 

►参考文献:

1.Xing, Y., and Zhang, Q. (2010). Genetic and molecular bases of rice yield. Annu Rev Plant Biol 61, 421-442.

2.Guo, T., Chen, K., Dong, N.Q., Shi, C.L., Ye, W.W., Gao, J.P., Shan, J.X., and Lin, H.X. (2018). GRAIN SIZE AND NUMBER1 Negatively Regulates the OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 Cascade to Coordinate the Trade-off between Grain Number per Panicle and Grain Size in Rice. Plant Cell 30, 871-888.

3.Huang, X.Y., Chao, D.Y., Gao, J.P., Zhu, M.Z., Shi, M., and Lin, H.X. (2009b). A previously unknown zinc finger protein, DST, regulates drought and salt tolerance in rice via stomatal aperture control. Genes Dev 23, 1805-1817.

4.Li, S., Zhao, B., Yuan, D., Duan, M., Qian, Q., Tang, L., Wang, B., Liu, X., Zhang, J., Wang, J., Sun, J., Liu, Z., Feng, Y.Q., Yuan, L., and Li, C. (2013). Rice zinc finger protein DST enhances grain production through controlling Gn1a/OsCKX2 expression. Proc Natl Acad Sci U S A 110, 3167-3172.

 

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