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儲成才研究組在水稻穗發芽機制研究中取得新進展

  水稻、小麥、玉米等禾谷類作物是重要的糧食作物,由于在馴化的過程中缺乏對收獲期休眠的關注,導致這些作物種子在收獲期遭遇高溫高濕的條件時其籽粒會在穗上萌發,又稱爲穗發芽(Pre-harvest sprouting, PHS)。穗發芽不僅會造成糧食作物減産和食用品質下降,更爲重要的是,穗發芽嚴重影響了作物制種質量,是影響糧食作物的重要災害。據報道,穗發芽直接造成的面包小麥平均年損失超過10億美元,統計表明,由于中國南方水稻收獲季節常常遭遇高溫多雨,常規水稻有約6%的播種面積,而雜交水稻則高達20%的面積具穗發芽發生。因此,揭示穗發芽的分子調控機制,並通過遺傳改良來培育穗發芽抗性品種是解決這一問題的可行方法。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室储成才研究组一直致力于水稻穗发芽分子机制研究。通过大规模突变体筛选,获得了一系列水稻穗发芽突变体,并已报道了植物激素脱落酸(ABA)合成途徑基因的突變體(phs1phs7)都表現出穗發芽表型(Fang et al., 2008; Fang and Chu, 2008)。而PHS8的突變導致胚乳中小分子糖的積累,從而抑制胚中的ABA信號傳遞,導致了穗發芽表型(Du et al., 2018)。對一個新的穗發芽突變體phs9的研究表明,PHS9編碼一個高等植物特有的CC類型谷氧還蛋白,並且主要在發育後期的胚中表達。PHS9通過與一個ABA受體互作蛋白OsGAP相互作用,整合了活性氧(ROS)信號和ABA信號,從而調控水稻穗發芽。更爲有意思的是,在江浙主栽品種淮稻5號和武運粳27號敲除PHS9基因能夠顯著抑制新鮮收獲的種子的萌發,表明可以通過基因編輯PHS9來有效緩解水稻穗發芽。 

 

  這一研究結果于2019822日在線發表在The Plant Journal雜志(DOI:10.1111/tpj.14501)。储成才研究组已毕业博士研究生徐凡为该论文第一作者。该研究得到中國科學院前沿科学重点研究计划资助。 

 

圖:PHS9調控穗發芽的分子機制(A)及其在淮稻5號和武運粳27號中敲除植株新鮮收獲種子的
萌發表型。