湖南农业大学段美娟团队在植物激素调控水稻籽粒灌浆生理与分子生物学机制研究方面取得重要进展

    植物激素参与调控植物的生长发育和逆境响应,在水稻籽粒灌浆过程中同样起着重要的作用,是水稻产量形成的关键调控因子。但是,植物激素如何响应逆境胁迫参与调控籽粒灌浆及其作用机理的相关研究仍不够深入。

    近日,湖南农业大学水稻逆境生物学湖南省重点实验室段美娟研究员团队在国际著名学术期刊Field Crops Research和Food and Energy Security分别发表题为“Excessive nitrogen in field-grown rice suppresses grain filling of inferior spikelets by reducing the accumulation of cytokinin and auxin”和“Post-anthesis saline-alkali stress inhibits grain filling by promoting ethylene production and signal transduction”的研究论文,两项成果为水稻籽粒灌浆性状的遗传改良,培育抗逆性强、稳产高产水稻品种以及氮高效利用栽培技术提供基因资源和理论指导。

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    在实际生产中农民们为了追求更高的水稻产量,往往盲目施用过多的氮肥。然而氮肥的过量施用不仅造成氮素利用效率的显著降低,同时还带来严重的环境污染。许多大穗型水稻弱势粒灌浆显著比强势粒差,且弱势粒灌浆对环境条件变化非常敏感。该团队研究发现高施氮肥(HN)虽然能够增加有效穗、提高水稻产量,但是HN处理造成水稻结实率下降。进一步的分析发现HN处理下弱势粒淀粉合成关键酶的活性低于对照处理,说明HN处理下弱势粒的灌浆弱于对照(NN)水稻,造成HN处理下弱势粒粒重显著降低。植物激素分析发现HN处理下弱势粒中的IAA和CTK含量均低于NN处理下水稻弱势粒。有趣的是qPCR分析发现HN处理抑制了IAA合成基因的表达,但是提高了CTK氧化酶基因的表达,说明HN处理可能通过不同方式降低弱势粒中的IAA和CTK含量。外源喷施IAA和CTK可显著提高HN处理下水稻弱势粒中淀粉合成关键酶的酶活力,从而促进淀粉合成、籽粒灌浆。以上成果解析了高氮处理下水稻产量提升和灌浆减弱的分子机理,为进一步改良氮高效利用水稻栽培技术提供了重要的理论指导。

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    湖南农业大学农学院在读硕士生陈银科为该论文第一作者,湖南农业大学段美娟研究员和叶能辉教授、香港浸会大学生物系张建华教授为该论文的共同通讯作者。该项目得到国家自然科学基金-湖南联合基金(U21A201755)国家自然科学基金面上项目(32171927,31971924和31771701)的资助。

    论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378429022001137

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    我国拥有大量具有种植潜力的盐碱地和滩涂耕地,深入解析盐碱胁迫影响水稻灌浆及产量的机理将为进一步提高耐盐碱水稻产量提供遗传资源和理论基础。该团队利用海盐模拟滩涂盐碱环境处理超级杂交稻超优千号,发现盐碱胁迫导致超优千号的籽粒粒重降低,籽粒中的淀粉合成相关酶的活性被抑制。植物激素含量分析发现盐碱胁迫显著提高了超优千号籽粒种的乙烯产量,且乙烯合成相关的基因以及乙烯信号通路基因均被盐碱胁迫诱导。外源乙烯处理可显著抑制籽粒种淀粉合成关键酶的活力并降低粒重。以上结果说明盐碱胁迫通过提高乙烯含量和激活乙烯信号通路抑制籽粒种淀粉合成,从而降低粒重。该结果说明我们可通过抑制籽粒种乙烯产量或者乙烯信号通路来提高水稻在灌浆期对盐碱胁迫的耐受能力。

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    湖南农业大学农学院在读博士生彭亚琼为该论文第一作者,湖南农业大学孟栓副教授、叶能辉教授和段美娟研究员为该论文的共同通讯作者。香港浸会大学生物系张建华教授参与此项研究。该项目得到湖南省重点研发计划(2018NK1010)、国家自然科学基金-湖南联合基金(U21A201755)和国家自然科学基金面上项目(32171927)的资助。

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/fes3.384

    段美娟研究员和叶能辉教授团队近年来在提高水稻茎鞘同化物转运和籽粒灌浆效率方面开展了系列研究。该团队利用SWATH-MS和RNA-seq关联分析初步揭示了花后适度干旱胁迫下水稻茎鞘中同化物活化利用和转运的转录及翻译调控机理(Wang et al. 2020),随后利用衰老相关基因(SAG)启动子驱动淀粉酶AMY1a基因在衰老叶片中表达,提高了茎鞘同化物的活化和转运效率并提高水稻产量(Ouyang et al. 2021)。此外该团队还利用small RNA测序鉴定到三个参与花后适度干旱调控促进水稻弱势粒灌浆的microRNA,初步揭示籽粒灌浆的表观遗传学调控机理(Teng et al.2021)。在植物激素调控机理方面,该团队首次鉴定到一个提高水稻弱势粒灌浆的突变体,突变体籽粒灌浆过程中ABA含量显著积累,深入研究发现升高的ABA含量可进一步提高弱势粒中IAA的含量从而促进籽粒灌浆,初步证明了ABA和IAA在水稻籽粒灌浆过程中的协同促进效应(Teng et al.2021)。以上研究进一步拓宽了我们对水稻籽粒灌浆规律及其分子调控机制的认知,为确保超级稻高产稳产提供理论支撑。

参考文献:

Ouyang, N., Sun, X., Tan, Y., Sun, Z., Yu, D., Liu, H., ... & Duan, M*. (2021). Senescence-specific expression of RAmy1A accelerates non-structural carbohydrate remobilization and grain filling in Rice (Oryza sativa L.). Frontiers in plant science, 12, 710.

Teng, Z., Chen, Y., Yuan, Y., Peng, Y., Yi, Y., Yu, H., ... Duan, M*. Zhang, J*. & Ye, N*. (2021). Identification of microRNAs regulating grain filling of rice inferior spikelets in response to moderate soil drying post-anthesis. The Crop Journal. doi.org/10.1016/j.cj.2021.11.004

Teng, Z., Yu, H., Wang, G., Meng, S., Liu, B., Yi, Y., ... Duan, M*. Zhang, J*. & Ye, N*. (2021). Synergistic interaction between ABA and IAA due to moderate soil drying promotes grain filling of inferior spikelets in rice. The Plant Journal. 109, 1457-1472.

Wang, G., Li, H., Wang, K., Yang, J., Duan, M., Zhang, J., & Ye, N. (2020). Regulation of gene expression involved in the remobilization of rice straw carbon reserves results from moderate soil drying during grain filling. The Plant Journal, 101(3), 604-618.

通讯员:叶能辉