5月3日，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室胡紅紅課題組在The Plant Cell上發(fā)表了題為“Variation in WIDTH OF LEAF AND GRAIN contributes to grain and leaf size by controlling LARGE2 stability in rice”的研究論文。研究結(jié)果表明，水稻RING類型的E3泛素連接酶WLG能通過影響LARGE2的蛋白穩(wěn)定性調(diào)控水稻葉寬和粒寬的發(fā)育，從而影響水稻的穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量。該研究對解析水稻葉形和粒形發(fā)育機制和水稻遺傳育種改良具有重要意義。

 

　　水稻作為世界上重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量對于糧食安全具有重要影響。而種子大小和劍葉寬度是影響水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀。谷粒寬度和粒長，粒重決定谷粒大小，影響谷粒重量，從而影響水稻產(chǎn)量。劍葉通過向種子提供碳水化合物來影響水稻谷粒大小和產(chǎn)量。目前水稻中有大量基因被報道可以調(diào)控粒寬或劍葉寬度，也有一些基因被報道能同時調(diào)控葉寬和粒寬，但在遺傳水平能同時調(diào)控水稻粒寬和葉寬兩個性狀的基因位點卻鮮有被鑒定和報道。

 

　　在該研究中，研究人員對水稻群體進行了3年的劍葉寬度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并結(jié)合同一水稻群體2年的粒寬數(shù)據(jù)，利用GWAS全基因組關(guān)聯(lián)分析，在8號染色體上鑒定到能同時調(diào)控葉片寬度和谷粒寬度的一個基因位點WIDTH OF LEAF AND GRAIN（WLG）。WLG編碼一個RING-H2類型的E3泛素連接酶，該基因在編碼區(qū)的變異導致了水稻品種葉寬和粒寬的差異。WLG在群體中分為兩個單倍型，具有WLGhap.A的水稻品種比具有WLGhap.B的水稻品種劍葉和谷粒窄。敲除WLG降低劍葉和谷粒的寬度，而WLG的過表達能顯著增加劍葉和谷粒的寬度，并且同等水平過量表達的WLGhap.B對粒寬和葉寬具有更大的效應(yīng)。

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，WLG可以與先前報道的調(diào)控穗大小、粒寬和葉寬的HECT類E3連接酶LARGE2互作，并泛素化LARGE2。LARGE2中Lys1021的突變導致WLG對LARGE2的泛素化能力極大減弱。WLG的突變導致LARGE2蛋白在水稻中的積累。wlg突變體中突變LARGE2后，粒寬和葉寬表型都偏向于large2，說明了WLG主要是通過調(diào)控LARGE2蛋白的穩(wěn)定性來調(diào)控葉寬和粒寬的表型的。同時該研究也發(fā)現(xiàn)WLG-LARGE2調(diào)控粒寬和葉寬可能是通過細胞分裂素介導的途徑來完成的。

 

　　該研究還發(fā)現(xiàn)WLGhap.B的E3泛素連接酶活性較WLGhap.A明顯增強，并且WLGhap.B與LARGE2的互作強度也相對增加。在無細胞體系實驗中，含有WLGhap.B 的水稻品種或WLGhap.B 過量表達的水稻植株中比含有WLGhap.A 或WLGhap.A過量表達植株中LARGE2的蛋白被降解得更快，這也就從遺傳上解釋了WLG的變異導致粒寬和葉寬的差異的主要原因。

 

　　綜上所述，該研究揭示了WLG-LARGE2模塊在控制谷粒寬度和劍葉寬度的分子和遺傳機制，并表明WLGhap.B是一個優(yōu)勢等位基因，具有改良水稻葉形和粒形的潛力。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室博士研究生岳志闖為第一作者，胡紅紅教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學的熊立仲教授、李一博教授和歐陽亦聃教授也參與了該研究。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金委資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae136