The Crop Journal│华中农业大学李一博团队揭示OsGEF5、OsGDI1和OsGEF3对水稻粒形与株高的调节功能

水稻是全球主要的粮食作物之一。水稻粒形与株高影响着水稻的产量与经济价值。鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）和鸟嘌呤核苷酸解离抑制剂（GDI）是小G蛋白的调节因子，这些蛋白在多种信号通路中起分子开关的作用，但在植物中的功能尚不清楚。研究水稻中GEF与GDI基因参与调节水稻粒形和株高的分子机制与调控网络有重要的科学意义与经济价值。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室李一博教授团队在The Crop Journal在线发表题为“Genetic analysis of GEFs and GDIs in rice reveals the roles of OsGEF5, OsGDI1, and OsGEF3 in the regulation of grain size and plant height”的研究论文。该研究通过系统发育分析鉴定到30个GEF与10个GDI基因都具有相似的表达模式，在共表达与互作网络分析中发现调控幼穗组织分裂与雄蕊、颖壳和胚乳组织激活的小G蛋白信号通路，首次建立了水稻中GEF与GDI相关基因家族的CRISPR/Cas9突变体文库，揭示了OsGEF5、OsGDI1和 OsGEF3对水稻粒形与株高的调节作用。

研究者对水稻中的GEF和GDI基因家族进行全基因组鉴定与进化分析，发现30个GEF和10个GDI基因在水稻和不同真核生物中的保守性。通过组织特异性表达、共表达分析与互作网络分析，发现进化上相近的基因有相似的表达模式（图1），确定了控制幼穗组织细胞分裂的Rho、Arf和Ran小G蛋白信号通路，同时发现Rho和Rab信号模块在雄蕊、颖壳和胚乳组织中被激活（图2）。将鉴定到的GEF和GDI基因通过CRISPR/Cas9技术构建了所有相关基因的突变体文库，其中OsGEF5、OsGEF3和OsGDI1显著影响水稻籽粒大小和株高性状（图3）。单倍型和eGWAS分析表明，三个基因的自然变异影响生殖组织中的基因表达，这与水稻表型的差异显著相关（图4）。BiFC分析鉴定到GDI1和GEF3与粒形主要基因GS3相互作用，表明这些基因也可能在水稻异源三聚体G蛋白信号通路中调节水稻株高与籽粒大小的功能上发挥作用。该研究结合进化分析、遗传分析与生化分析对水稻中GEF与GDI基因调节GTPase蛋白的功能进行解析，为小G蛋白调节因子在改善水稻种子性状与株高方面的应用提供参考。

作者和基金项目

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室/生命科学技术学院、湖北洪山实验室博士生Munsif Ali Shad和王一先为该文共同第一作者，李一博教授为通信作者。该研究得到国家自然科学基金项目（32072042，31821005，32000370）、湖北洪山实验室（2021hszd005）等资助。李一博教授团队长期从事水稻粒形调控与垩白形成机制的研究工作，已在Nature Genetics、Nature Communication等学术期刊上发表多篇高水平研究论文。

本文转载自The Crop Journal

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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