2022年2月16日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何予卿教授團(tuán)隊(duì)的研究論文Natural variation in WHITE-CORE RATE 1 regulates redox homeostasis in rice endosperm to affect grain quality 在The Plant Cell雜志在線發(fā)表，揭示了水稻心白率基因WCR1的自然變異和胚乳氧化還原穩(wěn)態(tài)影響堊白形成的分子機(jī)理。
堊白（Chalkiness）是由于稻米胚乳中淀粉顆粒和蛋白體排列不緊密而產(chǎn)生的白色不透明的部分，全面影響稻米外觀和蒸煮食味品質(zhì)，直接影響稻米作為商品的市場(chǎng)價(jià)值。因此，降低堊白是水稻優(yōu)質(zhì)遺傳改良的全球共同育種目標(biāo)。堊白是典型的數(shù)量性狀，受遺傳因子和環(huán)境因素的共同影響，這也使得堊白基因克隆面臨了很大的挑戰(zhàn)。目前，通過(guò)自然群體克隆的堊白相關(guān)基因非常少，堊白形成的分子機(jī)制也有待進(jìn)一步探索。
A: WCR1的圖位克隆；B：近等基因系株型和籽粒堊白表型；C：WCR1參與堊白形成的調(diào)控模式。
該研究經(jīng)過(guò)多年的圖位克隆，在水稻第一染色體上定位到一個(gè)控制心白率的基因WCR1，WCR1BL位點(diǎn)除降低心白率外，同時(shí)還增加產(chǎn)量和米飯食味值。系統(tǒng)發(fā)育和序列分析表明該基因編碼一個(gè)F-box蛋白，在大麥、小麥、玉米、高粱和擬南芥中都存在同源基因。WCR1是心白率的負(fù)調(diào)控因子，上調(diào)WCR1的表達(dá)水平，能顯著降低心白率。自然變異分析顯示，啟動(dòng)子上預(yù)測(cè)的一個(gè)功能性變異位點(diǎn)A/G可能是引起表達(dá)差異和心白率差異的重要原因。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析，表明WCR1G等位型來(lái)源于野生稻，而WCR1A則主要存在于熱帶粳稻中。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，A/G變異引起了OsDOF轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)核心序列的改變，通過(guò)酵母單雜、瞬時(shí)表達(dá)和EMSA實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OsDOF17與WCR1啟動(dòng)子存在互作，并且A/G變異會(huì)影響OsDOF17的結(jié)合能力。
為了解析WCR1調(diào)控堊白的分子機(jī)制，通過(guò)酵母篩庫(kù)、BiFC以及Pull-down等實(shí)驗(yàn)篩選到一個(gè)WCR1的互作蛋白MT2b。MT2b編碼一個(gè)金屬硫蛋白，具有結(jié)合金屬離子和清除活性氧（ROS）的作用。研究者從遺傳、生理和生化上證明了WCR1具有調(diào)控MT2b轉(zhuǎn)錄水平和抑制26S蛋白酶體介導(dǎo)MT2b蛋白降解的功能，從而促進(jìn)ROS清除和延遲胚乳細(xì)胞程序性死亡（PCD），最終增加了貯藏物質(zhì)的積累和降低心白率。該項(xiàng)工作不僅闡釋了心白形成的分子機(jī)制，同時(shí)還解析了堊白的自然變異，挖掘了優(yōu)勢(shì)等位基因，為稻米品質(zhì)的改良提供了理論基礎(chǔ)和具有應(yīng)用前景的基因資源。
WCR1是該團(tuán)隊(duì)繼Chalk5（Li et al, Nature Genetics, 2014）克隆后的又一重要發(fā)現(xiàn)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生吳邊為本文第一作者，何予卿教授為本文的通訊作者，姚家玲教授和周竹青教授參與了本研究部分工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目共同資助。
日期：2022-02-28
堊白（Chalkiness）是由于稻米胚乳中淀粉顆粒和蛋白體排列不緊密而產(chǎn)生的白色不透明的部分，全面影響稻米外觀和蒸煮食味品質(zhì)，直接影響稻米作為商品的市場(chǎng)價(jià)值。因此，降低堊白是水稻優(yōu)質(zhì)遺傳改良的全球共同育種目標(biāo)。堊白是典型的數(shù)量性狀，受遺傳因子和環(huán)境因素的共同影響，這也使得堊白基因克隆面臨了很大的挑戰(zhàn)。目前，通過(guò)自然群體克隆的堊白相關(guān)基因非常少，堊白形成的分子機(jī)制也有待進(jìn)一步探索。
A: WCR1的圖位克隆；B：近等基因系株型和籽粒堊白表型；C：WCR1參與堊白形成的調(diào)控模式。
該研究經(jīng)過(guò)多年的圖位克隆，在水稻第一染色體上定位到一個(gè)控制心白率的基因WCR1，WCR1BL位點(diǎn)除降低心白率外，同時(shí)還增加產(chǎn)量和米飯食味值。系統(tǒng)發(fā)育和序列分析表明該基因編碼一個(gè)F-box蛋白，在大麥、小麥、玉米、高粱和擬南芥中都存在同源基因。WCR1是心白率的負(fù)調(diào)控因子，上調(diào)WCR1的表達(dá)水平，能顯著降低心白率。自然變異分析顯示，啟動(dòng)子上預(yù)測(cè)的一個(gè)功能性變異位點(diǎn)A/G可能是引起表達(dá)差異和心白率差異的重要原因。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析，表明WCR1G等位型來(lái)源于野生稻，而WCR1A則主要存在于熱帶粳稻中。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，A/G變異引起了OsDOF轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)核心序列的改變，通過(guò)酵母單雜、瞬時(shí)表達(dá)和EMSA實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OsDOF17與WCR1啟動(dòng)子存在互作，并且A/G變異會(huì)影響OsDOF17的結(jié)合能力。
為了解析WCR1調(diào)控堊白的分子機(jī)制，通過(guò)酵母篩庫(kù)、BiFC以及Pull-down等實(shí)驗(yàn)篩選到一個(gè)WCR1的互作蛋白MT2b。MT2b編碼一個(gè)金屬硫蛋白，具有結(jié)合金屬離子和清除活性氧（ROS）的作用。研究者從遺傳、生理和生化上證明了WCR1具有調(diào)控MT2b轉(zhuǎn)錄水平和抑制26S蛋白酶體介導(dǎo)MT2b蛋白降解的功能，從而促進(jìn)ROS清除和延遲胚乳細(xì)胞程序性死亡（PCD），最終增加了貯藏物質(zhì)的積累和降低心白率。該項(xiàng)工作不僅闡釋了心白形成的分子機(jī)制，同時(shí)還解析了堊白的自然變異，挖掘了優(yōu)勢(shì)等位基因，為稻米品質(zhì)的改良提供了理論基礎(chǔ)和具有應(yīng)用前景的基因資源。
WCR1是該團(tuán)隊(duì)繼Chalk5（Li et al, Nature Genetics, 2014）克隆后的又一重要發(fā)現(xiàn)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生吳邊為本文第一作者，何予卿教授為本文的通訊作者，姚家玲教授和周竹青教授參與了本研究部分工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目共同資助。
日期：2022-02-28
