PBJ | 武汉大学赵洁教授研究团队揭示AP2/ERF类转录因子DSP调控柱头、穗和分蘖发育的新机制

水稻分蘖和种子数目是产量的关键决定因素，而这些性状主要与分蘖、穗和小穗、柱头的形成密切有关，迄今为止，尚未报道单个基因同时参与这些器官的发育过程。近日，武汉大学赵洁教授课题组在国际植物学权威期刊Plant Biotechnology Journal上发表题为 “Rice DSP controls stigma, panicle and tiller primordium initiation” 的研究论文。该研究揭示了AP2/ERF类转录因子DSP是调控柱头原基、穗和小穗、分蘖等侧生分生组织起始的关键因子，解析了DSP调节PID从而控制柱头发生的分子机制，该研究为水稻产量和性状改良提供了重要的基因信息，并奠定了坚实的理论基础。

该研究团队筛选了一个无羽状柱头、穗的枝梗、小穗、分蘖数明显减少的突变体defective stigma and panicle （dsp）；研究发现这些特征的发生是由于dsp突变体的柱头原基、穗原基、分蘖芽原基起始的侧生分生组织出现严重的缺陷；利用CRISPR/Cas9和转基因技术获得了该基因多个突变位点的株系，进一步证实了突变体dsp的表型特征是由DSP基因突变所引起的。

图1. dsp突变体的表型特征

水稻DSP属于AP2/ERF转录因子，定位于细胞核，并具有强烈的转录激活活性。系统进化和氨基酸比对分析发现，DSP包含一个典型的AP2/ERF结构域，以及本研究新发现的保守angiosperm-related（AR）基序。研究揭示突变体dsp的表型特征是由于DSP的AR基序上出现单个氨基酸的替换，并由此影响了DSP蛋白的转录激活活性，而DSP的AP2/ERF结构域的突变则会引起幼苗死亡。转录组数据分析显示，在dsp突变体的幼穗中PID和LAX1的表达明显下调，且与生长素的分布有关。利用生长素抑制剂处理实验显示，DSP的突变会抑制生长素的极性运输，并且生长素也会影响DSP的表达。通过ChIP、酵母单杂和EMSA实验检测，发现DSP可以直接结合PID含有GCC基序的启动子上，进而正向调控PID的表达。利用CRISPR/Cas9技术获得的pid突变体也表现为无柱头和极少小穗的特征，而且PID过表达可以部分回复dsp弱等位突变体以及dsp突变体柱头的发育。研究还发现，利用CRISPR/Cas9技术获得的lax1突变体表现出小穗减少、小穗和花梗变长的特征，类似于dsp突变体。进一步研究揭示DSP不能结合LAX1的启动子，但是过表达LAX1能回复突变体dsp的分蘖数目。除此之外，dsp lax1双突变体表现出比突变体dsp更加严重的穗部特征，表明DSP和LAX1在穗的发育上可能处于不同的调控通路上。

综上所述，该研究发现DSP直接调控PID作用于柱头的起始，间接调控LAX1作用于分蘖的起始，并且与LAX1协同控制穗型的发育。这一研究揭示了DSP作为关键的调控因子，能够整合多种调控网络，进而同时控制柱头、穗和分蘖的发育。

图8. 水稻DSP的工作模式

武汉大学生命科学学院余礼博士后、姚民和卯练练博士生为该论文的共同第一作者；武汉大学生命科学学院赵洁教授为通讯作者；武汉大学生命科学学院的马腾飞、聂延伸、马浩力、邵琨和安红强研究生也参与了该项研究。

美国加州大学赵云德教授、武汉大学胡骏教授和陈荣智教授、北京大学瞿礼嘉教授、美国德克萨斯理工大学施华中教授对该研究给予了大力支持并提供了宝贵建议；该研究获得了国家自然科学基金的资助（32170337）。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14137

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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