Plant Cell | 基因组所汪泉团队揭示影响水稻株高的分子机制

2024年10月9日，《植物细胞（The Plant Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）汪泉课题组的研究论文，题为“OsKANADI1 and OsYABBY5 regulate rice plant height by targeting GIBERELLIN 2-OXIDASE6”，该研究揭示了一个由OsKAN1、OsYAB5和OsGA2ox6组成的全新调控模块调控水稻株高的分子机制。

水稻是全球重要的粮食作物，株高是影响其株型的重要农艺性状之一。自“绿色革命”以来，通过对植物激素赤霉素的研究，科学家们成功培育出具有半矮秆性状的高产水稻，大幅提升了粮食产量。此外，矮秆和半矮秆是水稻抗倒伏和高产育种的关键指标。因此挖掘水稻节间伸长的相关基因，解析其影响节间伸长的分子机制，探究其与赤霉素调控通路的关系，对提高水稻产量具有重要意义。

本研究发现OsKANADI1（OsKAN1）基因形成了一个与YABBY基因和GA代谢基因共同调控水稻株高的调控中心。研究团队首先在一个天然水稻突变系（oskan1）中发现了一个矮秆突变体，并将该突变定位到OsKAN1基因位点。OsKAN1是一个MYB转录因子，此前曾被揭示在水稻叶片、颖壳发育中发挥作用，但尚未有该基因与株高相关的报道。通过研究其等位基因以及构建OsKAN1的CRISPR敲除系植株，确认了OsKAN1突变导致株高降低。而外部施加活性赤霉素可以恢复这些oskan1突变体的半矮秆表型，这表明OsKAN1与GA通路有关。此外，OsKAN1在节间组织中高表达，并且在转基因OsKAN1过表达（OsKAN1ox）植株中，活性GA水平升高，植株高度增加。

为挖掘OsKAN1与GA的作用机制，通过酵母双杂交筛选，鉴定出OsYABBY5（OsYAB5）可能是OsKAN1的互作蛋白。后续利用BiFC，Pull-down，CoIP等验证了OsKAN1和OsYAB5在体内外的相互作用。RNA-seq结果显示，OsKAN1ox过表达植株中OsYAB5的表达水平降低，表明OsKAN1可能还参与OsYAB5的转录调控。通过荧光素酶（LUC）测定、EMSA、ChIP-qPCR等实验证明OsKAN1可以直接结合OsYAB5的启动子并抑制其表达，并且OsKAN1-OsYAB5相互作用形成的功能型复合物能解除OsKAN1对OsYAB5的抑制。

进一步研究发现，OsYAB5也参与调控水稻株高。通过构建OsYAB5过表达及基因敲除株系发现，过表达OsYAB5（OsYAB5ox）导致活性GA水平降低，植株表现为半矮秆表型，而OsYAB5的CRISPR敲除突变体则表现出相反的表型。与oskan1突变体相似，外源施加GA也能恢复OsYAB5ox的矮秆表型。OsYAB5ox植株的转录组分析表明，GA合成基因大多没有受到影响，然而，GA代谢基因，特别是OsGA2ox6的表达水平显著上调。进一步研究表明OsYAB5能够结合OsGA2ox6启动子并诱导其表达，有趣的是，OsKAN1-OsYAB5复合物也能抑制OsYAB5对OsGA2ox6的转录激活作用。

为了进一步揭示OsKAN1与OsYAB5的功能，构建了由OsKAN1启动子驱动的OsYAB5异位表达转基因株系。与对照相比， proOsKAN1::OsYAB5植株表现为株高增加。但在oskan1突变体中，proOsKAN1::OsYAB5异位表达植株表现为极度矮化。这进一步表明了OsKAN1-OsYAB5复合物对株高的重要性。

本研究的结果阐明了OsKAN1、OsYAB5和OsGA2ox6的调控模块，通过转录和蛋白水平调节水稻株高。OsKAN1和OsYAB5在节和节间中的相互作用调控了生物活性GAs的空间分布，从而影响水稻茎的生长动态OsKAN1-OsYAB5-OsGA2ox6调控通路的揭示有助于理解水稻茎伸长的分子基础，并为具有理想高度的水稻育种提供了潜在资源。

OsKAN1-OsYAB5-OsGA2ox6在节与节间的相互作用和调控关系图示

《植物细胞（The Plant Cell）》杂志IN BRIEF栏目以“Small but mighty: OsKANADI1 and OsYABBY5 regulate plant stature by tuning GA metabolism in rice.（小而强大：OsKANADI1和OsYABBY5通过调节赤霉素代谢调控水稻株高）” 为题，对该研究成果进行了点评。

基因组所（大鹏湾实验室）博士后何奇、吴昊（现为西南大学生科院副教授）、宜春市科学院曾龙军助理研究员为论文的共同第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）汪泉研究员和南京农业大学熊国胜教授为该论文的共同通讯作者，西南大学张勇教授及其团队为该研究提供了技术帮助。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程、中国博士后科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及广东省重点领域研发计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae276

文献来源：

Qi He, Hao Wu, Longjun Zeng, Caiyun Yin, Li Wang, Yiqing Tan, Wanqing Lv, Zhiqiang Liao, Xuelian Zheng, Shuting Zhang, Qinqin Han, Danning Wang, Yong Zhang, Guosheng Xiong, Quan Wang, OsKANADI1 and OsYABBY5 regulate rice plant height by targetingGIBERELLIN 2-OXIDASE6,The Plant Cell, 2024;, koae276,https://doi.org/10.1093/plcell/koae276

Christian Damian Lorenzo, Small but mighty:OsKANADI1andOsYABBY5regulate plant stature by tuning GA metabolism in rice,The Plant Cell, 2024;, koae274,https://doi.org/10.1093/plcell/koae274