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科研进展

植物逆境中心朱健康课题组揭示miR156调控水稻种子休眠和株型的新机制

2019-08-28

        2019年8月23日,Nature Communications 在线发表了朱健康课题组题为"The grain yield modulator miR156 regulates seed dormancy through the gibberellin pathway in rice"的研究论文。该研究首次系统解析miR156在水稻种子休眠和株型调控中的重要作用,为基因编辑增强种子休眠以抑制穗发芽提供理论依据。

图1. miR156调节水稻种子休眠、粒长和株型
 
        种子休眠是决定作物有效产量和储藏期的重要因素,合适的种子休眠时间长度在增加产量的同时有效抑制作物的穗发芽,提高谷物品质和延长谷物的储藏期 (Miao et al, 2018)。有研究表明miR156是谷类作物株型和种子粒型的重要调控因子 (Jiao et al, 2010; Lu et al, 2013)。该研究中首次对水稻miR156的编码基因家族进行了系统的基因编辑研究,发现MIR156可以根据其序列和功能分为两个亚家族,其中,II类MIR156基因(包括MIR156aMIR156bMIR156cMIR156kMIR156l)的突变显著增强种子休眠,抑制种子穗发芽现象,而对株型、种子粒型和产量潜力无明显影响。有趣的是,I类MIR156基因(包括MIR156dMIR156i)的缺失可以减少无效分蘖、增加株高、增强茎秆抗倒伏能力、增加种子粒长和千粒重,表现出理想株型IPA1的植株形态,而对种子休眠无显著影响。(图1)
 
图2. miR56靶基因IPA1通过调节赤霉素相关基因的表达影响水稻中赤霉素的积累
 
        植物激素脱落酸(abscisic acid, ABA)是控制植物种子休眠的关键因子 (Gu et al, 2010)。目前已发表的种子休眠控制基因大部分涉及到ABA合成和代谢有关。该研究发现,MIR156突变增强种子休眠的现象与ABA无关,而与促进种子萌发的植物激素赤霉素(gibberellins,GAs)有关。MIR156基因缺失解除其对靶基因Ideal Plant Architecture 1IPA1)的抑制,有利于IPA1 转录本的积累。IPA1直接结合并调控Gas合成和信号通路中一系列基因的表达,从而减少种子中Gas的积累,有利于种子休眠。(图2)
 
        综上所述,该研究揭示了miR156在水稻种子休眠调控中的重要作用,同时,该研究为培育具有优良株型、抗穗发芽的高产水稻品种提供了重要的基因资源。
 
        该研究得到中国科学院和国家自然科学基金的资助。苗春波和王镇为该论文共同第一作者,朱健康研究员为该论文通讯作者。