ＴＳＺelisa試劑盒揭示水稻粒型和穗粒數(shù)協(xié)調(diào)發(fā)育的分子機(jī)制
水稻產(chǎn)量性狀是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，容易受到環(huán)境變化的影響。水稻產(chǎn)量主要由每株有效分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重三個因素決定的。水稻的有效分蘗數(shù)直接決定了每株的穗數(shù)，每穗粒數(shù)則是由一級枝梗數(shù)目和二級枝梗數(shù)目以及枝梗上的小穗數(shù)目共同決定的，而水稻種子的粒長、粒寬、粒厚以及籽粒灌漿程度又直接決定了粒重。這三個內(nèi)部要素之間相輔相成，共同決定水稻的產(chǎn)量。一般而言，影響水稻產(chǎn)量的這些內(nèi)部要素之間并不是呈現(xiàn)出簡單的累加效應(yīng)，而是存在一定的負(fù)相關(guān)性，直接制約了水稻產(chǎn)量的提高。如何破除效應(yīng)壁壘，突破各個要素之間的相互制約性，找到要素之間相互作用以及維持平衡的結(jié)點(diǎn)，成為當(dāng)前水稻科學(xué)研究以及分子設(shè)計育種所面臨的一個挑戰(zhàn)。一般而言，植物在進(jìn)化過程中，種子的大小和種子數(shù)量之間也存在著同樣的負(fù)相關(guān)性，然而植物種子大小和種子數(shù)量決定的分子平衡機(jī)制卻知之甚少。
在這項(xiàng)研究中，作者篩選出一個粒型增大、粒重增加，但是每穗粒數(shù)明顯減少的突變體 gsn1 (grain size and number 1)，并且成功定位克隆了 GSN1 基因。該基因編碼一個定位于細(xì)胞質(zhì)的雙特異性磷酸酶。在秈稻和粳稻背景中，分別抑制 GSN1 的表達(dá)可以使得水稻粒型增大、每穗粒數(shù)減少；增強(qiáng) GSN1 的表達(dá)使得粒型減小、每穗粒數(shù)增加，這表明 GSN1 協(xié)調(diào)水稻每穗粒數(shù)和粒型大小雙重發(fā)育過程。體內(nèi)和體外研究表明，GSN1 蛋白通過與 OsMPK6 互作，對其進(jìn)行去磷酸化修飾，從而抑制 OsMPK6 的活性。進(jìn)一步檢測水稻幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平發(fā)現(xiàn)，在 gsn1 突變體中 OsMPK6 的磷酸化水平明顯高于野生型，在 GSN1 受抑制的植株幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平也明顯升高，而在 GSN1 過表達(dá)的植株幼穗中 OsMPK6 的磷酸化水平明顯降低；此外，在 OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR 和 OsMKKK10CRISPR 植株中 OsMPK6 的磷酸化水平也明顯減弱，表明 OsMPK6 的磷酸化水平對于水稻穗形態(tài)建成至關(guān)重要。在野生型和 gsn1 背景中分別考察 OsMPK6RNAi、OsMKK4CRISPR 和 OsMKKK10CRISPR 的單突變體和雙突變體表型發(fā)現(xiàn)：單突變體粒型減小、每穗粒數(shù)增多；雙突變體可以回復(fù) gsn1 突變體的表型。這些結(jié)果表明，GSN1 通過對 OsMPK6 的去磷酸化，負(fù)調(diào)控 OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 級聯(lián)信號通路。該研究在水稻中鑒定了調(diào)控水稻穗型發(fā)育的 OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6 級聯(lián)信號通路，并且證實(shí)了 GSN1 是該級聯(lián)信號通路的負(fù)調(diào)控因子。研究結(jié)果還表明 GSN1-MAPK 分子模塊通過整合下游的植物激素信號影響局部細(xì)胞特化和細(xì)胞分裂，從而精細(xì)調(diào)控水稻每穗粒數(shù)和粒型大小之間的協(xié)同發(fā)育。該研究對于理解禾本科作物花序形態(tài)建成以及可塑性的分子調(diào)控機(jī)理具有重要意義，為作物產(chǎn)量的遺傳改良提供了新的分子模塊和策略。