鑒定到一個(gè)受高溫誘導(dǎo)、調(diào)控稻米品質(zhì)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子并解析了其作用機(jī)制

　　近日，我所胡培松院士團(tuán)隊(duì)在水稻胚乳發(fā)育及稻米品質(zhì)受高溫影響的調(diào)控機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，在Plant Communications上在線發(fā)表題為“OPAQUE3, encoding a transmembrane bZIP transcription factor, regulates endosperm storage protein and starch biosynthesis in rice”的研究文章，報(bào)道了水稻OPAQUE3（O3）編碼一個(gè)具有跨膜結(jié)構(gòu)域的bZIP轉(zhuǎn)錄因子（OsbZIP60），能同時(shí)調(diào)控胚乳儲藏蛋白和淀粉的生物合成，參與維持高溫下胚乳內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）穩(wěn)態(tài)，保證水稻胚乳的正常發(fā)育，為稻米品質(zhì)遺傳改良提供了重要的理論依據(jù)。

 

　　民以食為天，食以稻為先。水稻是我國主要糧食作物之一，全國60％以上的人口以稻米為主食。隨著人們生活水平的提高，人們對稻米品質(zhì)的要求越來越高，不僅要求吃飽，更要求吃好（健康、營養(yǎng)等）。灌漿期高溫是水稻尤其是南方秈稻區(qū)最易遭遇的自然脅迫，高溫下水稻灌漿進(jìn)程縮短，導(dǎo)致淀粉等儲藏物質(zhì)合成與累積不足，淀粉的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終引起稻米產(chǎn)量下降、外觀與食味變差。目前，高溫影響稻米品質(zhì)，導(dǎo)致堊白或粉質(zhì)胚乳產(chǎn)生的分子機(jī)理仍不明確。因此，研究調(diào)控稻米淀粉、蛋白質(zhì)等儲藏物質(zhì)合成及受高溫調(diào)控的分子機(jī)制，對水稻品質(zhì)遺傳改良、培育高溫脅迫下的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻新品種具有重要的意義。

 

　　該研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)稻米品質(zhì)高溫更敏感的胚乳不透明突變體opaque3 （o3），杭州自然高溫環(huán)境下，野生型中花11籽粒飽滿透明，而突變體o3籽粒灌漿速率降低，成熟籽粒中總淀粉、直鏈淀粉和總蛋白質(zhì)及谷蛋白含量顯著降低，谷蛋白57-kD前體大量積累，千粒重和單株產(chǎn)量均顯著降低。設(shè)置更嚴(yán)格的人工高溫（35℃/28℃）和常溫環(huán)境（28℃/22℃）處理，發(fā)現(xiàn)人工高溫環(huán)境下o3成熟籽粒比常溫下突變表型更加極端，籽粒粉質(zhì)皺縮，直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量、粒重極顯著降低，而中花11則變化較小，表明o3稻米品質(zhì)對高溫更敏感。細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)o3胚乳ER結(jié)構(gòu)異常，ER及其衍生囊泡中滯留了大量的蛋白前體；o3胚乳細(xì)胞中部分造粉體提前解體，導(dǎo)致大量的淀粉單粒存在。利用Mut-Map方法克隆了O3基因， 發(fā)現(xiàn)O3編碼一個(gè)含跨膜結(jié)構(gòu)域的bZIP轉(zhuǎn)錄因子（OsbZIP60），O3在發(fā)育中的籽粒中高表達(dá)；亞細(xì)胞定位顯示O3在ER與細(xì)胞核中雙重定位，添加DTT誘導(dǎo)發(fā)生ER脅迫，或去除其跨膜結(jié)構(gòu)域后，O3則主要定位于細(xì)胞核中。

 

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)O3可以直接結(jié)合胚乳儲藏蛋白和淀粉合成相關(guān)基因GluA2、Prol14、Glb1、GBSSI、AGPL2、SBE1和ISA2的啟動子中O2、GCN4等motif調(diào)控其表達(dá)，參與胚乳儲藏蛋白與淀粉的合成。此外，O3還可以直接結(jié)合ER蛋白質(zhì)加工核心分子伴侶基因OsBIP1、PDIL1-1的啟動子pUPRE-II box等，參與蛋白質(zhì)加工與分泌。此外，O3受高溫脅迫誘導(dǎo)高表達(dá)，高溫下o3發(fā)生更加嚴(yán)重的ER脅迫，OsbZIP50、BIPs、PDILs、Calnexin、OsFes1C等響應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫相關(guān)基因大幅度上調(diào)表達(dá)。嚴(yán)重的ER脅迫反饋促進(jìn)O3的同源基因OsbZIP50等發(fā)生可變剪切進(jìn)入細(xì)胞核，去激活BIPs、PDILs等相關(guān)基因的表達(dá)，幫助緩解高溫下ER脅迫。

 

　　本研究證明了O3在水稻胚乳發(fā)育，特別是高溫脅迫下胚乳的正常發(fā)育中起著核心的調(diào)控作用。為稻米品質(zhì)遺傳改良及培育品質(zhì)高溫鈍感水稻品種提供了重要的理論依據(jù)。此外，o3突變體胚乳中谷蛋白顯著降低，也可以為培育適合腎臟病人群食用的低谷蛋白專用水稻提供重要的基因資源。

 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，浙江省自然科學(xué)基金，中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。我所博士研究生操瑞節(jié)和博士后趙紹路為文章的共同第一作者，胡培松院士和魏祥進(jìn)研究員為共同通訊作者。

 

　　原文鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462（22）00300-5