金晶，儲(chǔ)成才

兩個(gè)拮抗的bHLH轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻種子休眠的調(diào)控

金晶，儲(chǔ)成才

嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣州 510642

種子休眠(seed dormancy)是指有生活力的種子在適宜的萌發(fā)條件下不能萌發(fā)的現(xiàn)象，且其程度受環(huán)境調(diào)節(jié)[1,2]。種子休眠不僅為種子傳播擴(kuò)散爭(zhēng)取了時(shí)間，也是調(diào)節(jié)種子最佳時(shí)間、空間萌發(fā)的有效方法，是植物經(jīng)過長(zhǎng)期演化而獲得的一種對(duì)環(huán)境尤其是季節(jié)性變化的適應(yīng)性生存策略[2]。然而，在作物馴化過程中，由于考慮到大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐需要保證種子播種后發(fā)芽的一致性，往往忽略了對(duì)種子適度休眠的保留，導(dǎo)致種子在收獲期如遇高溫高濕條件籽粒易在穗上萌發(fā)的現(xiàn)象，也稱為穗發(fā)芽(pre- harvest sprouting)[3]。穗發(fā)芽不僅會(huì)造成作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還會(huì)影響作物制種質(zhì)量和下一季播種，嚴(yán)重威脅糧食安全。近年來隨著全球氣候變化和極端天氣的頻發(fā)，導(dǎo)致水稻、小麥、大麥等禾谷類作物穗發(fā)芽嚴(yán)重，造成減產(chǎn)[4]。在我國(guó)南方由于梅雨季節(jié)的影響，穗發(fā)芽常會(huì)導(dǎo)致常規(guī)稻6%的栽培面積損失，雜交稻損失更可高達(dá)20%[5]；有報(bào)道表明，僅面包小麥每年因穗發(fā)芽造成的損失就達(dá)10億美元以上[6]。通過基因調(diào)控使作物種子進(jìn)行適度休眠是減輕或避免穗發(fā)芽損失的最有效手段。因此，克隆調(diào)控水稻、小麥等重要作物種子休眠關(guān)鍵基因，闡明種子休眠的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)異等位變異，對(duì)解決水稻等禾谷類作物穗發(fā)芽問題具有重要意義。

由于休眠是一個(gè)由多基因控制的復(fù)雜性狀且受環(huán)境影響，因此難以進(jìn)行準(zhǔn)確的表型鑒定。雖然在水稻中已有100多個(gè)相關(guān)QTL位點(diǎn)被鑒定，但只有、/、/等幾個(gè)基因被克隆[7～10]。而/和/等基因由于同時(shí)調(diào)控種皮顏色或株高等，而白米及矮化育種已廣泛推廣利用，使得利用這些基因改良水稻休眠性來解決穗發(fā)芽問題變的較為困難，生產(chǎn)上缺乏改良現(xiàn)有水稻穗發(fā)芽的關(guān)鍵基因資源。因此，挖掘和鑒定能在生產(chǎn)實(shí)踐中改良水稻穗發(fā)芽且對(duì)其他農(nóng)藝性狀無不良影響的關(guān)鍵基因至關(guān)重要。

2022年12月5日，發(fā)表了題為“Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH transcription factors”的研究論文[11]。該研究通過構(gòu)建可穩(wěn)定檢測(cè)到休眠位點(diǎn)的高密度染色體單片段代換系群體，從強(qiáng)休眠水稻品種Kasalath中克隆了一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因，并驗(yàn)證了其調(diào)控功能。進(jìn)一步篩選SD6互作蛋白發(fā)現(xiàn)另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子ICE2也參與調(diào)控種子休眠。利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物化學(xué)等技術(shù)，揭示了兩個(gè)拮抗的轉(zhuǎn)錄因子可通過調(diào)控ABA代謝和合成，調(diào)控體內(nèi)ABA含量，實(shí)現(xiàn)種子休眠與萌發(fā)的切換(圖1)。該研究還進(jìn)一步解析了SD6-ICE2分子模塊感應(yīng)外界環(huán)境調(diào)控種子休眠的分子機(jī)制。有意思的是，利用基因編輯對(duì)多個(gè)易發(fā)生穗發(fā)芽的主栽水稻品種進(jìn)行基因改良，同時(shí)在小麥品種科農(nóng)199中對(duì)同源基因進(jìn)行改良，結(jié)果表明，改良的水稻和小麥品種穗發(fā)芽均得到顯著改善[11]。因此，這一研究成果對(duì)提升糧食品質(zhì)和種業(yè)安全均具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

由于種子休眠是一個(gè)受遺傳和環(huán)境調(diào)控的極其復(fù)雜性狀，使得克隆鑒定調(diào)控該性狀基因變得十分困難。該研究從強(qiáng)休眠稻Kasalath和弱休眠現(xiàn)代水稻品種日本晴(Nipponbare)構(gòu)建的染色體單片段代換系材料中選取一個(gè)具有強(qiáng)休眠表型的片段代換系Q27。該系以日本晴為背景，僅在水稻第六號(hào)染色體上有Kasalath片段滲入。利用Q27與日本晴雜交，在F2代中選取純合穩(wěn)定交換株系進(jìn)行表型鑒定，并根據(jù)基因型和表型信息，利用圖位克隆方法，將該基因定位到～20 kb區(qū)間，借助表達(dá)模式和基因序列信息，確定了候選基因。通過近等基因系、突變體、過表達(dá)株系等證實(shí)了該基因調(diào)控休眠的功能[11]。基因的克隆是利用單片段代換系和穩(wěn)定純合交換株系相結(jié)合定位策略解析復(fù)雜性狀的成功范例。

圖1 SD6-ICE2調(diào)控水稻種子休眠示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11]修改繪制。

基因編碼一個(gè)bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子。通過篩選SD6互作蛋白，鑒定到另一水稻bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子ICE2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SD6與ICE2均能直接靶向脫落酸(ABA)重要代謝基因啟動(dòng)子，通過分別識(shí)別啟動(dòng)子上G-box或E-box基序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一靶基因的精準(zhǔn)調(diào)控。另一方面，SD6和ICE2能拮抗性調(diào)控另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子bHLH048，間接調(diào)控ABA合成基因[11]。通過這種調(diào)控模式，SD6-ICE2分子模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻休眠和萌發(fā)的精準(zhǔn)調(diào)控。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過一對(duì)拮抗性bHLH轉(zhuǎn)錄因子直接或間接調(diào)控ABA代謝與合成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子休眠重要激素ABA的精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)而影響種子休眠或萌發(fā)進(jìn)程的全新調(diào)控模式。

溫度是影響種子休眠長(zhǎng)短的重要因素之一[12]。通常情況下，溫暖環(huán)境可縮短種子休眠期，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫使得種子更易維持休眠狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，SD6-ICE2分子模塊具備感知外界溫度變化調(diào)控休眠的功能。在室溫下，維持高表達(dá)，而基因表達(dá)受到抑制，從而促進(jìn)種子的萌發(fā)。而在低溫條件下，基因表達(dá)受到強(qiáng)烈抑制，基因表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而使種子維持休眠[11](圖1)。該研究表明，水稻種子可以通過SD6-ICE2分子模塊感知外界溫度變化，動(dòng)態(tài)調(diào)控種子休眠和萌發(fā)，使得種子能夠適應(yīng)季節(jié)性變化。

眾所周知，種子休眠是重要的馴化性狀。在野生環(huán)境下，種子需要休眠來避免不良環(huán)境，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物需要縮短休眠以利于播種后發(fā)芽的一致性。因此，進(jìn)一步分析在水稻馴化過程中的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，幾乎所有野生稻都包含強(qiáng)休眠等位，而馴化栽培稻在所有亞群中都具有弱休眠等位變異[11]。觀察發(fā)現(xiàn)，含有強(qiáng)休眠等位基因的遺傳材料在田間表現(xiàn)出抗穗發(fā)芽特性。進(jìn)一步利用基因編輯技術(shù)對(duì)目前易穗發(fā)芽主栽水稻品種天隆619、武運(yùn)粳27和淮稻5號(hào)進(jìn)行遺傳改良，結(jié)果表明，不同背景水稻改良材料在大田下穗發(fā)芽均獲得顯著改善，且對(duì)其他農(nóng)藝性狀沒有不良影響。有意思的是，對(duì)小麥基因的改良，也能顯著改善小麥穗發(fā)芽。這表明基因在水稻和小麥中調(diào)控種子休眠功能是保守的，為水稻和小麥穗發(fā)芽改良提供了行之有效的策略[11]。

總之，現(xiàn)有栽培作物既要求適時(shí)整齊萌發(fā)，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，又要保留一定的休眠，防止穗發(fā)芽，這對(duì)種子質(zhì)量和糧食安全至關(guān)重要。因此，精準(zhǔn)、高效平衡萌發(fā)與休眠對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。該研究成功克隆了調(diào)控水稻休眠關(guān)鍵基因，并揭示了SD6和ICE2這對(duì)功能拮抗的bHLH轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同ABA合成和代謝，從而調(diào)控休眠和萌發(fā)的轉(zhuǎn)化。這一研究成果不僅揭示了種子休眠適應(yīng)性的分子生理機(jī)制，也為培育抗穗發(fā)芽水稻和小麥提供了重要的基因資源，對(duì)保障糧食安全和提升糧食品質(zhì)均具有重要意義。

[1] Née G, Xiang Y, Soppe WJ. The release of dormancy, a wake-up call for seeds to germinate., 2017, 35: 8–14.

[2] Penfield S. Seed dormancy and germination., 2017, 27(17): R874–R878.

[3] Bewley JD, Bradford KJ, Hilhorst HWM, Nonogaki H. Seeds: Physiology of Development, Germination and Dormancy. New York: Springer, 2013.

[4] Xu F, Tang JY, Gao SP, Cheng X, Du L, Chu CC. Control of rice pre-harvest sprouting by glutaredoxin-mediated abscisic acid signaling., 2019, 100(5): 1036–1051.

[5] Hu WM, Ma HS, Fan LJ, Ruan SL. Characteristics of pre-harvest sprouting in sterile lines in hybrid rice seeds production., 2003, 29(3): 441–446.

胡偉民, 馬華升, 樊龍江, 阮松林.雜交水稻制種不育系穗上發(fā)芽特性. 作物學(xué)報(bào), 2003, 29(3): 441–446.

[6] Black M, Bewley JD, Halmer P. The Encyclopedia of Seeds: Science, Technology and Uses. Wallingford, UK: CABI Publishing, 2006.

[7] Shi J, Shi JX, Liang WQ, Zhang DB. Integrating GWAS and transcriptomics to identify genes involved in seed dormancy in rice., 2021, 134: 3553–3562.

[8] Sugimoto K, Takeuchi Y, Ebana K, Miyao A, Hirochika H, Hara N, Ishiyama K, Kobayashi M, Ban Y, Hattori T, Yano M. Molecular cloning of, a regulator involved in seed dormancy and domestication of rice., 2010, 107(13): 5792–5797.

[9] Gu XY, Foley ME, Horvath DP, Anderson JV, Feng JH, Zhang LH, Mowry CR, Ye H, Suttle JC, Kadowaki KI, Chen ZX. Association between seed dormancy and pericarp color is controlled by a pleiotropic gene that regulates abscisic acid and flavonoid synthesis in weedy red rice., 2011, 189(4): 1515–1524.

[10] Ye H, Feng JH, Zhang LH, Zhang JF, Mispan MS, Cao ZQ, Beighley DH, Yang JC, Gu XY. Map-based cloning ofidentified a gibberellin synthesis gene regulating the development of endosperm-imposed dor-mancy in rice., 2015, 169(3): 2152–2165.

[11] Xu F, Tang JY, Wang SX, Cheng X, Wang HR, Ou SJ, Gao SP, Li BS, Qian YW, Gao CX, Chu CC. Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH trans-cription factors., 2022, 54(12): 1972–1982.

[12] Finch-Savage WE, Footitt S. Seed dormancy cycling and the regulation of dormancy mechanisms to time germi-nation in variable field environments., 2017, 68(4): 843–856.

2022-12-26;

2022-12-26;

2022-12-26

金晶，博士，講師，研究方向：小肽信號(hào)和養(yǎng)分高效利用遺傳機(jī)制解析。E-mail：jingjin@scau.edu.cn

儲(chǔ)成才，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物養(yǎng)分高效利用分子機(jī)制解析和分子設(shè)計(jì)育種。E-mail：ccchu@scau.edu.cn

10.16288/j.yczz.22-420