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文章題目：Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition

期刊：Science

發(fā)表時(shí)間：2024年3月8日

主要內容：中國農業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所童紅寧研究員領(lǐng)銜的研究團隊，在Science雜志上發(fā)表了文章Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition，該研究破譯了復粒稻多粒簇生形成的機制，發(fā)現了控制簇生形成的基因編碼植物激素油菜素甾醇（BR）的代謝基因，因復粒稻中該基因前存在復雜的染色體結構變異，導致該基因特異地在水稻穗分枝發(fā)育過(guò)程中被激活，并通過(guò)由BR水平改變誘發(fā)的一系列分子事件，促進(jìn)了水稻穗分枝和穗粒數，最終導致產(chǎn)量增加。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838

使用TransGen產(chǎn)品：

pEASY^?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)

研究背景

上世紀三十年代起，印度、美國、日本等世界各國的遺傳學(xué)家陸續報道了一種獨特的水稻，英文稱(chēng)之為“clustered-spikelet rice”（意為簇生小穗水稻），中文稱(chēng)之為“復粒稻”或“簇生稻”。與常見(jiàn)的單粒水稻不同，復粒稻通常三粒種子簇生在一起，有學(xué)者形象地稱(chēng)之為“三粒奇”。在某些背景下，簇生會(huì )使得稻穗酷似麥穗，因此又有人稱(chēng)之為“麥穎稻”。

在沒(méi)有基因組序列的時(shí)代，復粒稻因其表型明顯而獨特，被遺傳學(xué)家廣泛用于構建染色體連鎖群，并發(fā)現控制簇生的位點(diǎn)CL與控制水稻糯性的位點(diǎn)Wx在6號染色體存在連鎖。Wx于1990年被克隆成為控制水稻籽粒品質(zhì)的核心基因，而CL由于其控制的簇生性狀具有增產(chǎn)的潛力，雖然引起了眾多關(guān)注，但是只能將其定位在6號染色體的一個(gè)較大的區間內。這種一致的定位區間暗示不同來(lái)源的復粒稻應由同一個(gè)位點(diǎn)控制，然而關(guān)于其遺傳特性的相關(guān)報道存在諸多不一致的地方。距今已經(jīng)報道了將近一百年，復粒稻控制基因以及小穗簇生發(fā)生的機理始終是未解之謎。

文章概述

復粒稻表型顯著(zhù)，但通過(guò)圖位克隆始終無(wú)法定位到具體基因?？紤]到圖位克隆依賴(lài)于雜交群體的構建和后代性狀與目的基因型的共分離，一是可能CL位點(diǎn)包含復雜的結構變異，導致一定區間內的連鎖不平衡和后代偏分離，二是可能該性狀易受到父母本基因組合的影響，導致后代個(gè)體表型與目的基因型的非絕對關(guān)聯(lián)性分離，對精細定位造成了干擾。為此，研究人員另辟蹊徑，以復粒稻為背景，通過(guò)化學(xué)誘變，從包含1萬(wàn)份誘變株系、16萬(wàn)份誘變單株的群體中篩選出2份不簇生的突變體株系，進(jìn)而以復粒稻為對照，以不簇生的突變體為對象進(jìn)行回交群體構建，結合重測序和關(guān)聯(lián)分析，最終克隆到了目的基因。結果表明，一個(gè)被稱(chēng)為BRD3的BR代謝酶基因，在誘變過(guò)程中發(fā)生了突變，導致了簇生的消失。而對復粒稻基因組進(jìn)行組裝發(fā)現，BRD3前存在倒位、缺失、插入等復雜的染色體結構變異，激活了BRD3的表達，導致BR減少，是簇生發(fā)生的主要原因。因此CL實(shí)際上是指包含了復雜結構變異并激活BRD3表達的整個(gè)染色體區段。復粒稻簇生性狀與結構變異緊密連鎖，并且復粒稻表型與BR激素水平直接相關(guān)，解釋了通過(guò)圖位克隆無(wú)法成功克隆CL的原因；而以復粒稻為對照在同一背景下進(jìn)行抑制子的篩選，避免了上述問(wèn)題，為作物復雜性狀的調控基因克隆提供了方法借鑒。

BR最早發(fā)現于上世紀七十年代末，現已成為農業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用的一種植物生長(cháng)調節劑。研究發(fā)現，BR顯著(zhù)控制著(zhù)水稻的株高、葉夾角、籽粒大小等關(guān)鍵育種性狀，但BR如何控制穗粒數并不清楚。嚴格的比較分析發(fā)現，復粒稻穗的二級分枝以及穗粒數顯著(zhù)增多。掃描電鏡觀(guān)察發(fā)現，其主要原因在于水稻穗分枝過(guò)程 “二級分枝分生組織”（SBM）向“小花分生組織”(SM)的轉變延遲，從而產(chǎn)生了更多的SBM和SM，伴隨著(zhù)小穗柄變短，導致了簇生表型的發(fā)生。與此觀(guān)察完全一致，研究人員通過(guò)多種技術(shù)手段，發(fā)現BRD3特異地在SBM激活表達，導致了該部位的BR含量減少，使得BR信號通路核心抑制子GSK2被激活，GSK2進(jìn)而磷酸化轉錄因子OsMADS1并促使其更加穩定，后者又直接結合RCN2并促進(jìn)其表達。RCN2作為擬南芥TFL1的同源基因，是調控SM身份性的重要因子，被激活后延遲了SBM向SM的轉變，使得水稻具有更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行分枝，從而促進(jìn)了二級分枝，增加了穗粒數。穗分枝是一個(gè)復雜而有序的過(guò)程，伴隨著(zhù)一系列分生組織轉化事件的發(fā)生，該研究是首次發(fā)現BR在控制水稻穗二級分枝過(guò)程中的重要調控作用。

育種本質(zhì)上是多性狀的平衡優(yōu)化過(guò)程，而穗粒數和籽粒大小之間的負相關(guān)是育種過(guò)程中難以克服的問(wèn)題之一，一定程度上限制了當前水稻單產(chǎn)的進(jìn)一步提升。BR對籽粒大小的促進(jìn)作用極為顯著(zhù)，而該研究發(fā)現的BR對穗粒數的抑制作用，代表了一種全新的兩個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)量性狀間的平衡機制。尤為重要的是，復粒稻對水稻種子大小和品質(zhì)幾乎毫無(wú)影響，但穗分枝和穗粒數顯著(zhù)增多，導致了產(chǎn)量相應地增加。免疫熒光和原位雜交等體內檢測技術(shù)證實(shí)，GSK2、OsMADS1、RCN2三者和BRD3一樣，均在SBM中被特異性地激活。因此，復粒稻中BR含量組織特異性地受到抑制，從而避免了BR缺陷對籽粒大小的負面影響。BR雖然被認為在農業(yè)生產(chǎn)與作物改良上具有重要應用潛力，但作為激素的功能多效性是BR應用的最大挑戰之一，該研究發(fā)現空間特異性地控制激素含量可有效破解性狀間的偶聯(lián)，揭示了一種通過(guò)優(yōu)化BR空間分布來(lái)避免激素負效應的新策略。

研究團隊進(jìn)一步將CL導入到不同品種中，證實(shí)復粒稻簇生性狀具有巨大的增產(chǎn)潛力，并且由于促進(jìn)穗分枝機制上的不同，CL可以和著(zhù)名的穗粒數控制基因Gn1a聯(lián)合使用進(jìn)一步增加產(chǎn)量。通過(guò)雜交選育將CL和Gn1a聚合后，水稻穗粒數最高可達600粒之多。此外，研究團隊通過(guò)對簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的薔薇和非簇生花的玫瑰進(jìn)行BR測量比較發(fā)現，和水稻一樣，簇生與非簇生之間具有類(lèi)似的BR含量變化。這一結果暗示，BR控制簇生的機制在大自然中可能具有普遍性。多年多點(diǎn)田間比較試驗發(fā)現，由于CL通過(guò)控制激素水平發(fā)揮功能，而激素本質(zhì)上具有微量高效并易受環(huán)境影響的特點(diǎn)，因此CL增產(chǎn)效果與背景材料中的激素水平以及種植條件密切相關(guān)。

全式金產(chǎn)品支撐

優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金的pEASY 系列克隆載體產(chǎn)品pEASY^?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)助力本研究。

pEASY^?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)

本產(chǎn)品消除了pEASY^?-Blunt Cloning Vector上的多克隆位點(diǎn)，方便在目的基因上設計酶切位點(diǎn)，包含LacZ基因，在含有IPTG和X-gal的平板培養基上，可進(jìn)行藍白斑篩選，適用于平端克隆。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

●  快速：僅需5分鐘。

●  簡(jiǎn)單：加入片段即可。

●  高效：陽(yáng)性率高。

●  提供氨芐青霉素和卡那霉素兩種篩選標記，便于根據實(shí)驗選擇篩選標記。

●  方便在目的基因上設計酶切位點(diǎn)。

●  T7 Promoter用于體外轉錄。

●  Trans1-T1感受態(tài)細胞轉化效率高，生長(cháng)速度快，確?？寺?，節約篩選時(shí)間。

全式金產(chǎn)品再一次登上Science期刊，證明了大家對全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認可，也完美詮釋了全式金一直以來(lái)秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶(hù)”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來(lái)能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續助力科研。

使用pEASY^?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

?   Zhang W, Wan H, Feng G, et al. SIRT6 deficiency results in developmental retardation in cynomolgus monkeys[J]. Nature, 2018.

?   Wu X, Yu C, Mu W, et al. The structural mechanism for transcription activation by Caulobacter crescentus GcrA[J]. Nucleic Acids Research, 2023.

?    Li Y, Du Y, Huai J, et al. The RNA helicase UAP56 and the E3 ubiquitin ligase COP1 coordinately regulate alternative splicing to repress photomorphogenesis in Arabidopsis[J]. The Plant Cell, 2022.

?   Wang X, Liu C, Zhang S, et al. N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles[J]. Developmental cell, 2021.

?   Li L, Fang C, Zhuang N, et al. Structural basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors[J]. Nature communications, 2019.