合理提高作物種植密度來實現(xiàn)有限耕地條件下的糧食產(chǎn)量提升，是解決糧食安全問題的主要途徑之一。葉片是作物光合作用和有機物合成的主要器官，葉片形態(tài)建成與作物株型相關(guān)，可直接影響作物種植密度及產(chǎn)量。為提高密植狀態(tài)下作物的光合作用及產(chǎn)量，作物育種過程中追求葉片直立（即葉片不下垂）而又緊湊（即葉片與莖的夾角小）。BR是重要的植物生長發(fā)育調(diào)節(jié)激素，圍繞BR信號調(diào)控葉片與莖的夾角已經(jīng)開展了大量深入機理的研究，但關(guān)于葉片直立與下垂的遺傳基礎(chǔ)尚缺乏認(rèn)識，制約了禾谷類作物株型改良的效率和水平。

 

　　近期，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所聯(lián)合開展的谷子株型調(diào)控研究工作取得進展，闡釋了谷子的披垂葉基因（DROOPY LEAF1）作為油菜素內(nèi)酯（BR）激素信號的“剎車”基因如何調(diào)控葉片直立與披垂。

 

　　該研究利用谷子（Setaria italica）葉片嚴(yán)重披垂的突變體 （droopy leaf 1，dpy1），克隆了控制谷子葉片披垂的基因（DPY1）。該基因編碼了一個新的富亮氨酸重復(fù)型膜蛋白受體激酶，其編碼蛋白可以與油菜素內(nèi)酯的共受體（SiBAK1）通過胞內(nèi)的激酶結(jié)構(gòu)互作，并競爭性地抑制油菜素內(nèi)酯受體（SiBRI1）與共受體（SiBAK1）間的互作水平，從而以負(fù)反饋的方式抑制早期油菜素內(nèi)酯信號的過度激活。因此，DPY1起到了“剎車”基因的作用（圖2）。該過程可以促進葉片中脈的遠(yuǎn)軸厚壁細(xì)胞分裂及木質(zhì)素的沉積，從而提高葉片的支撐力并促進葉片直立性。此外，該研究通過玉米披垂葉基因回補谷子突變體（dpy1）試驗，證實在禾本科作物中這種機制是保守和共享的。該研究成果揭示了禾谷類作物葉片堅實度的遺傳學(xué)基礎(chǔ)及其調(diào)控機制，為作物株型改良提供了新的基因資源及研究思路。

 

　　谷子是我國的原產(chǎn)作物，且至今仍是旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)的主栽作物，在食物多樣性和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中具有不可或缺的作用。谷子及其野生種青狗尾草（Setaria viridis）由于基因組小、高效轉(zhuǎn)化、生育期短，且易于實驗室培養(yǎng)操作，正在快速發(fā)展成為禾本科黍亞科和C4光合作用的模式植物。該研究也證實了谷子作為功能基因組研究模式植物的潛力，有助于促進谷子模式植物體系的發(fā)展。

 

　　相關(guān)成果以DROOPY LEAF1 Controls Leaf Architecture by Orchestrating Early Brassinosteroid Signaling（披垂葉基因通過調(diào)控早期油菜素內(nèi)酯信號來控制谷子株型）為題，發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。農(nóng)業(yè)資源中心博士趙美丞，作物科學(xué)研究所副研究員湯沙、博士張皓珊為論文共同第一作者；作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民、農(nóng)業(yè)資源中心研究員劉西崗為共同通訊作者。研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院STS計劃、河北省自然科學(xué)基金等項目的資助。

 

　　論文鏈接

　　DPY1通過油菜素內(nèi)酯信號調(diào)控葉片披垂

　　DPY1調(diào)控葉型的分子機制