湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的水稻研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，克隆了一個水稻葉綠體蛋白LTA1，其可通過影響重力反應(yīng)調(diào)控水稻的分蘗角度，同時通過影響葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能降低光合作用效率，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。
這一成果近日在線發(fā)表于《作物學(xué)報》（The Crop Journal）上，湖南省水稻研究所潘孝武副研究員為該文第一作者，該所李小湘研究員和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所黃榮峰研究員為共同通信作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計劃和湖湘青年英才項目的資助。
lta1突變體的表型特征分析。受訪者 供圖
通過改良水稻株型培育具有理想株型的新品種，是提高水稻單產(chǎn)的重要途徑。分蘗角度是水稻株型的重要構(gòu)成因素之一，直接影響水稻的種植密度、光合效率、抗倒性以及病蟲害發(fā)生情況，最終影響水稻的產(chǎn)量和收獲指數(shù)。盡管這一性狀在育種實踐中被重點關(guān)注，但目前已克隆的分蘗角度基因很少，業(yè)界對其分子機理的研究相對滯后，分蘗角度基因如何影響水稻產(chǎn)量仍不清楚。
研究人員發(fā)掘到一個分蘗角度明顯增大的突變體lta1，其結(jié)實率和產(chǎn)量明顯下降。組織切片結(jié)果表明，lta1突變體分蘗基部遠(yuǎn)地端的細(xì)胞長度顯著長于野生型。重力誘導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)，突變體莖稈內(nèi)的生長素側(cè)向運輸受阻，導(dǎo)致重力反應(yīng)削弱，從而表現(xiàn)出分蘗角度增大的表型。圖位克隆將LTA1基因定位于水稻第2染色體，編碼一個具有保守YbaB DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的葉綠體蛋白，遺傳互補和基因敲除實驗均證明LTA1確實調(diào)控了水稻的分蘗角度和產(chǎn)量。熒光定量PCR結(jié)果表明，該基因主要在葉片、葉鞘等光合組織中表達。
植物感受重力刺激，并在重力方向上發(fā)生生長反應(yīng)的現(xiàn)象稱為植物的向重力性。潘孝武介紹，在重力刺激下，正常水稻植株在近地端和遠(yuǎn)地端會形成生長素濃度梯度，近地端細(xì)胞分裂生長加快，莖基部形成彎曲向上生長。但lta1突變體內(nèi)源生長素的側(cè)向運輸受阻，近地端的生長素含量降低，向重力性反應(yīng)減弱，導(dǎo)致分蘗角度增大。LTA1基因編碼葉綠體蛋白，該基因突變引起葉綠體結(jié)構(gòu)異常，進而導(dǎo)致葉綠素含量和光合作用速率下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，LTA1主要通過影響水稻的向重力性調(diào)控水稻的分蘗角度，通過影響葉綠體結(jié)構(gòu)和光合作用效率影響水稻產(chǎn)量。
lta1突變體的葉綠體發(fā)育以及光合作用分析。受訪者 供圖
在水稻的生長發(fā)育過程中，分蘗角度呈現(xiàn)動態(tài)變化，發(fā)育前期株型松散以實現(xiàn)早發(fā)快長，發(fā)育后期株型緊湊以改善群體光合作用效率。分蘗角度的動態(tài)變化在生產(chǎn)上具有重要意義，發(fā)掘特異種質(zhì)資源，解析分蘗角度動態(tài)變化的遺傳機制是重點和難點?！霸摶虻目寺『凸δ苎芯坑兄陉U明水稻分蘗角度的遺傳控制機制，為解析分蘗角度與產(chǎn)量的相互關(guān)系提供新的依據(jù)?！迸诵⑽浔硎?。
“由于LTA1基因突變本身導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)異常和光合作用下降，因此水稻產(chǎn)量下降的原因并非分蘗角度增大這個單一因素，故本研究尚不能證明株型分散和株型緊湊的水稻哪個更優(yōu)。”潘孝武表示，未來團隊將繼續(xù)開展分蘗角度基因的定位和克隆，重點解析水稻分蘗角度動態(tài)變化的分子遺傳機制；從種質(zhì)資源中發(fā)掘更多分蘗角度基因的優(yōu)良變異，利用分子標(biāo)記輔助選擇創(chuàng)制適宜分蘗角度的新種質(zhì)，培育具有理想株型的高產(chǎn)新品種。
