华中农业大学揭示水稻垩白形成的分子机理

2022年2月16日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室何予卿教授团队的研究论文Natural variation in WHITE-CORE RATE 1 regulates redox homeostasis in rice endosperm to affect grain quality 在The Plant Cell杂志在线发表，揭示了水稻心白率基因WCR1的自然变异和胚乳氧化还原稳态影响垩白形成的分子机理。
 
　　垩白（Chalkiness）是由于稻米胚乳中淀粉颗粒和蛋白体排列不紧密而产生的白色不透明的部分，全面影响稻米外观和蒸煮食味品质，直接影响稻米作为商品的市场价值。因此，降低垩白是水稻优质遗传改良的全球共同育种目标。垩白是典型的数量性状，受遗传因子和环境因素的共同影响，这也使得垩白基因克隆面临了很大的挑战。目前，通过自然群体克隆的垩白相关基因非常少，垩白形成的分子机制也有待进一步探索。

 
　　A: WCR1的图位克隆；B：近等基因系株型和籽粒垩白表型；C：WCR1参与垩白形成的调控模式。
 
　　该研究经过多年的图位克隆，在水稻第一染色体上定位到一个控制心白率的基因WCR1，WCR1BL位点除降低心白率外，同时还增加产量和米饭食味值。系统发育和序列分析表明该基因编码一个F-box蛋白，在大麦、小麦、玉米、高粱和拟南芥中都存在同源基因。WCR1是心白率的负调控因子，上调WCR1的表达水平，能显著降低心白率。自然变异分析显示，启动子上预测的一个功能性变异位点A/G可能是引起表达差异和心白率差异的重要原因。通过系统发育分析，表明WCR1G等位型来源于野生稻，而WCR1A则主要存在于热带粳稻中。进一步研究发现，A/G变异引起了OsDOF转录因子结合位点核心序列的改变，通过酵母单杂、瞬时表达和EMSA实验验证了OsDOF17与WCR1启动子存在互作，并且A/G变异会影响OsDOF17的结合能力。
 
　　为了解析WCR1调控垩白的分子机制，通过酵母筛库、BiFC以及Pull-down等实验筛选到一个WCR1的互作蛋白MT2b。MT2b编码一个金属硫蛋白，具有结合金属离子和清除活性氧（ROS）的作用。研究者从遗传、生理和生化上证明了WCR1具有调控MT2b转录水平和抑制26S蛋白酶体介导MT2b蛋白降解的功能，从而促进ROS清除和延迟胚乳细胞程序性死亡（PCD），最终增加了贮藏物质的积累和降低心白率。该项工作不仅阐释了心白形成的分子机制，同时还解析了垩白的自然变异，挖掘了优势等位基因，为稻米品质的改良提供了理论基础和具有应用前景的基因资源。
 
WCR1是该团队继Chalk5（Li et al, Nature Genetics, 2014）克隆后的又一重要发现，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士生吴边为本文第一作者，何予卿教授为本文的通讯作者，姚家玲教授和周竹青教授参与了本研究部分工作。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目共同资助。 


日期：2022-02-28