中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心與中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所聯(lián)合開展的谷子株型調(diào)控研究工作近期取得重要進展，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，為禾本科作物株型研究打開了一扇新的窗口。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，于2020年8月17日（美國時間）在《美國科學院院刊》（PNAS）上在線（online）發(fā)表。

隨著人口增長和對糧食需求的不斷增加，通過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。為了提高密植狀態(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）[1，2]。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)尚缺乏認識，從而制約了禾谷類作物株型改良的效率和水平。

研究人員利用谷子（Setaria italica）葉片嚴重披垂的突變體（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。該過程可以促進葉片中脈的遠軸厚壁細胞分裂及木質(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，研究人員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。此項研究成果揭示了禾谷類作物葉片堅實度的遺傳學基礎(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[3，4]。此項研究成果證實了谷子作為功能基因組研究模式植物的深厚潛力，將進一步促進谷子模式植物體系的發(fā)展。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心趙美丞博士、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所湯沙副研究員、張皓珊博士為論文共同第一作者。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所刁現(xiàn)民研究員、吳傳銀研究員和中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心劉西崗研究員為共同通訊作者。該研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院STS計劃、河北省自然科學基金等項目的資助。