山东农业大学张毅课题组揭示水稻灌浆期茎鞘碳储量再活化的重要调控机制

水稻灌浆期是水稻生长发育的一个重要阶段，也是决定产量的关键时期。水稻茎鞘中的非结构性碳水化合物（nonstructural carbohydrates，NSCs）提供了大约三分之一的水稻成熟粒重，其在营养和生殖早期暂时储存在茎杆，随后经再活化在灌浆阶段运输到籽粒。因此，了解茎鞘NSCs再活化的机制对于实现水稻最大产量潜力至关重要。

淀粉是NSCs在水稻茎鞘中的主要储存形式，NSCs向籽粒的转化涉及淀粉的降解以及蔗糖的再合成。水稻蔗糖的合成主要由蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）催化，与碳储备再活化高度相关。然而，在水稻茎鞘中表达并在NSCs再活化中起关键作用的SPS基因尚有待鉴定。

2023年9月21日，Journal of Experimental Botany在线发表了山东农业大学生命科学学院小麦育种全国重点实验室张毅副教授团队题为“Sucrose phosphate synthase 8 is required for the remobilization of carbon reserves in rice stems during grain filling”的研究论文，该研究发现蔗糖磷酸合成酶SPS8是茎鞘中SPS的主要亚型，具有茎鞘特异性并且是正常籽粒灌浆所必需的。

本研究通过对SPSs基因在水稻不同组织中的表达模式进行分析，发现SPS8是灌浆期水稻茎鞘中主要的SPS亚型。随后，利用CRISPR/Cas9系统构建了sps8突变体，该突变体茎鞘中的SPS活性明显降低，而淀粉积累显著增加。14C标记实验表明，sps8突变体中NSCs从水稻茎鞘向籽粒的再活化受害。sps8的灌浆延迟，并且由于成熟籽粒的百分比降低，该突变株系的产量下降了15%。RNA测序和定量PCR分析表明，参与淀粉合成和降解的基因在sps8突变体茎鞘中上调。此外，参与淀粉合成和降解的酶在sps8茎鞘中的活性增加。上述结果表明，SPS8对于碳储量从水稻茎鞘到籽粒的转化必不可少，并且它的缺失可能会增强水稻茎鞘中淀粉合成和降解的“无效循环”。

山东农业大学生命科学学院已毕业博士马明扬为本文第一作者，张毅副教授、房莹为论文共同通讯作者。山东农业大学卢从明教授、张爱红，北京市农林科学院蔬菜研究中心李常保研究员、苑国良助理研究员等参与了该项研究。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及山东省自然科学基金项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/erad375

转自：“植物生物学研究”微信公众号

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