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近日，西北农林科技大学未来农业研究院郭韬课题组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士课题组合作在知名学术期刊Plant Communications在线发表了题为Competitive binding of small antagonistic peptides to the OsER1 receptor optimizes rice panicle architecture的研究论文，揭示了OsEPF/EPFL家族拮抗性小肽通过竞争类受体激酶OsER1调控水稻穗型发育的分子机制，并通过特异性表达拮抗性小肽OsEPFL5打破水稻产量性状之间的偶联性，为作物高产生物育种提供了新的分子模块和思路。
水稻作为全世界最重要的粮食作物之一，养育着全球半数以上的人口。水稻的高产稳产直接关乎我国粮食安全和农业可持续发展。水稻产量性状主要由分蘖数、每穗粒数和粒重三个要素构成，它们之间相辅相成。如何打破复杂性状之间的偶联性，找到性状之间相互作用及维持平衡的关键节点，进而耦合优异等位变异，有效实现复杂性状的精准改良，是分子设计育种研究亟待解决的关键科学问题。2023年，林鸿宣院士团队联合清华大学柴继杰教授揭示了小肽-类受体激酶信号调控水稻穗型发育的分子机制，首次通过特异性抑制OsEPFL6-OsER1、OsEPFL7-OsER1和OsEPFL9-OsER1配体-受体对，打破了水稻产量性状之间的偶联性，从而塑造出高产的水稻理想穗型。研究发现，OsEPF/EPFL家族小肽OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9通过识别类受体激酶OsER1，激活OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号通路，协同调控每穗粒数，并且表现出负向调控的功能。然而，该家族的OsEPFL5却正向调控水稻每穗粒数（Guo et al., 2023）。因此，作者提出了一个重要的科学问题，即功能分化的同源性小肽如何通过识别受体精准调控作物穗型发育。
在该研究中，作者首先利用遗传互补和过表达材料进一步证实了OsEPFL5基因正向调控水稻每穗粒数，而负向调控粒型大小。利用控制水稻每穗粒数发育的关键基因OsCKX2和NOG1的启动子驱动OsEPFL5的表达可以明显增大穗型，而不影响粒型，从而表明特异性表达OsEPFL5可以协调水稻每穗粒数和粒型大小的发育平衡。通过检测osepfl5突变体以及OsEPFL5过表达水稻幼穗中OsMPK6的磷酸化水平，证明了OsEPFL5小肽可以抑制OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号。这表明OsEPFL5基因在控制水稻穗型发育上与OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9发挥着相反的功能。接着，作者通过分子对接、等温滴定量热法ITC以及免疫共沉淀Co-IP等实验，证实成熟的OsEPFL5小肽可以与类受体激酶OsER1在体外和体内发生相互作用。此外，遗传表型分析也表明，OsEPFL5依赖于OsER1控制水稻穗型发育。因此，作者进一步猜测OsEPFL5小肽可能与OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9小肽存在拮抗性作用。
在此基础上，作者利用表面等离子体共振SPR实验再次确证了OsEPFL6和OsEPFL5小肽都能以高亲和力结合OsER1类受体激酶。在此基础上，作者发现，OsEPFL5小肽可以分别与OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9小肽竞争性结合OsER1受体。通过烟草表达类受体激酶OsER1的胞外结构域，结合半体内配体竞争性实验，利用OsEPFL5自身抗体，作者再次确认了这一竞争性结果。不仅如此，作者通过对osepfl5 osepfl6 osepfl8和osepfl5 osepfl7 osepfl9三重突变体的遗传表型分析，以及幼穗中OsMPK6磷酸化水平检测，从而证明了OsEPFL5基因通过拮抗 OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9调控水稻穗型发育。为了明确OsEPFL5-OsER1配体受体对和GSN1-MAPK分子模块之间的遗传调控关系，作者进一步鉴定了gsn1 osepfl5，gsn1 osepfl6 osepfl8，gsn1 osepfl6 osepfl7 osepfl8 osepfl9等多重突变体，以及OsEPFL5和GSN1基因分别在对方突变体背景下过表达材料的表型，并且比较了不同材料幼穗中OsMPK6磷酸化水平。研究结果表明，OsEPFL5通过拮抗性作用，位于GSN1-MAPK分子模块的上游发挥功能。
最后，作者分别利用OsEPFL6和OsEPFL9基因的启动子驱动OsEPFL5基因特异性表达，发现其可以显著提高水稻每穗粒数，几乎不影响粒型大小和育性，从而导致单株产量提高8.74%-13.80%，小区测产增加6.11%-7.95%。此外，还利用OsEPFL9基因的启动子驱动小麦和谷子中OsEPFL5同源基因TaEPFL5和SiEPFL5的特异性表达，使得水稻穗型显著增大，单株产量提高11.11%-12.32%。这些结果表明，通过特异性表达具有拮抗作用的同源性小肽可以打破水稻产量性状之间的偶联性，从而提高作物产量。
综上所述，该研究揭示了拮抗性小肽OsEPFL5通过与OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9竞争性结合OsER1受体，调控水稻穗型发育的分子遗传机理。同时，研究也证明了一种合理的分子设计思路，即通过特异性表达具有拮抗作用的同源性小肽克服复杂性状之间的偶联性和权衡效应，为未来作物分子设计育种提供了新的分子模块。
西北农林科技大学未来农业研究院郭韬教授为该论文第一作者和通讯作者，林鸿宣院士为该论文的共同通讯作者。西北农林科技大学未来农业研究院司福艳博士、广东省农业科学院水稻研究所陈可副研究员、中国科学院分子植物科学卓越创新中心卢紫琦博士和陕西师范大学生命科学学院李广林教授等参与了该项研究工作。感谢中国农业科学院熊叶辉博士前期提供了相关载体。该工作得到了西北农林科技大学、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会以及陕西省的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101204
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