水稻产量主要由有效穗数、每穗实粒数和千粒重三个因素构成。水稻高产育种中，千粒重是决定产量的三要素之一，而粒形是决定千粒重的重要农艺性状。内稃和外稃是禾本科植物特有的器官，决定籽粒大小和品质，并影响水稻产量【1,2】。已有的研究鉴定到影响水稻内稃和外稃发育的一些基因，例如DP1/PAL1，RETARDED PALEA1，MFS1，FON4，MFO1，CFO1等影响内稃的发育【3-8】；OsMADS1，OPB，DEP/OsMADS15，TH1影响外稃发育【9-12】。然而，有关内、外稃发育调控及其对水稻籽粒大小和品质的影响在很大程度上依然未知。
近日，中国水稻研究所 钱前 研究员团队在 The Plant Journal 在线发表了题为 AH2 encodes a MYB domain protein that determines hull fate and affects grain yield and quality in rice 的研究论文。 该研究鉴定了一个调控水稻颖壳外层细胞发育的基因AH2，及其对籽粒产量和品质的影响。 研究结果为改良水稻籽粒产量和品质提供了新的基因资源。 
在这项最新的研究中，钱前团队鉴定到一个sll1的新等位突变体ah2 （abnormal hull 2） 。与sll1不同的是，ah2突变体籽粒变小、直链淀粉含量和凝胶稠度降低、蛋白质含量增加、结实率降低。同时，ah2突变体部分外壳失去了外层的硅化细胞，导致外层粗糙的表皮细胞向内层光滑的表皮细胞转化，内稃退化。进一步研究发现，ah2突变体籽粒变小主要是内稃发育异常导致内外稃空间缩小所致。以上结果表明，AH2在颖壳和籽粒发育过程中起着重要作用。该研究利用突变体互补，CRISPR/Cas9，以及细胞生物学等实验进一步验证了AH2的功能。
总的来说，该研究揭示了AH2基因在调控籽粒大小、品质以及颖壳外层细胞发育中的关键作用，并提出可以通过设计内外稃大小，进而改良籽粒的产量和品质。 
据悉，中国水稻研究所 任德勇 副研究员和 崔元江 博士为本文共同第一作者。 钱前 研究员和 任德勇 副研究员为通讯作者。 该研究得到国家自然科学基金委和浙江省自然科学基金委的重点资助。
参考文献：
【1】Jin J, Hua L, Zhu ZF et al. (2016) GAD1 encodes a secreted peptide that regulates grain number, grain length and awn development in rice domestication. Plant Cell 28: 2453–2463
【2】Xiang CY, Liang XX, Chu RZ et al. (2015) Fine mapping of a palea defective 1 (pd1), a locus associated with palea and stamen development in rice. Plant Cell Rep 34: 2151–2159
【3】Jin Y, Luo Q, Tong H et al. (2011) An AT-hook gene is required for palea formation and floral organ number control in rice. Dev Biol 359: 277–288
【4】Yuan Z, Gao S, Xue DW et al. (2009) RETARDED PALEA 1 controls palea development and floral zygomorphy in rice. Plant Physiol 149: 235–244
【5】Ren DY, Li YF, Zhao FM et al. (2013) MULTI-FLORET SPIKELET 1, which encodes an AP2/ERF protein, determines spikelet meristem fate and sterile lemma identity in rice. Plant Physiol 162: 872–884.
【6】Ren DY, Xu QK, Qiu ZN et al (2019) FON4 prevents the multi-floret spikelet in rice. Plant Biotechnol J 17: 1007-1009.
【7】Sang XC, Li YF, Luo ZK et al. (2012) CHIMERIC FLORAL ORGANS 1, encoding a monocot-specific MADS box protein, regulates floral organ identity inrice. Plant Physiol
160: 788–807
【8】Ohmori S, Kimizu M, Sugita M et al. (2009) MOSAIC FLORAL ORGANS 1, an AGL6-like MADS box gene, regulates floral organ identity and meristem fate in rice. Plant Cell 21: 3008–3025
【9】Jeon JS, Jang S, Lee S et al. (2000) leafy hull sterile 1 Is a homeotic mutation in a rice MADS box gene affecting rice flower development. Plant Cell 12: 871–884
【10】Horigome A, Nagasawa N, Ikeda K et al. (2009) Rice OPEN BEAK is a negative regulator of class 1 knox genes and a positive regulator of class B floral homeotic gene. Plant J 58: 724–736
【11】Wang KJ, Tang D, Hong LL et al. (2010) DEP and AFO regulate reproductive habit in rice .Plos Genet 6: 1–9
【12】Li XJ, Sun LJ, Tan LB et al. (2012) TH1, a DUF640 domain-like gene controls lemma and palea development in rice. Plant Mol Biol 78: 351–359
【13】Zhang GH, Xu Q, Zhu XD et al. (2009) SHALLOT-LIKE 1 is a KANADI transcription factor that modulates rice leaf rolling by regulating leaf abaxial cell development. Plant Cell 21: 719–735.
https://doi.org/10.1111/tpj.14481
热门跟贴