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科研動態

農業資源研究中心在谷子株型調控研究領域取得重要進展

發表日期:2020-08-18來源:放大 縮小

  中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心與中國農業科學院作物科學研究所聯合開展的谷子株型調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)作為油菜素內酯BR激素信號的“剎車”基因如何調控葉片直立與披垂,為禾本科作物株型研究打開了一扇新的窗口。相關成果以“DROOPY LEAF1 Controls Leaf Architecture by Orchestrating Early Brassinosteroid Signaling”(披垂葉基因通過調控早期油菜素內酯信號來控制谷子株型)為題,于2020817日(美國時間)在《美國科學院院刊》(PNAS)上在線(online)發表。 

  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有限耕地條件下的糧食產量提升,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,葉片形態建成與作物株型相關,可直接影響作物種植密度及產量。為了提高密植狀態下作物的光合作用及產量,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育調節激素,圍繞BR信號調控葉片與莖的夾角已經開展了大量深入機理的研究,但關于葉片直立與下垂的遺傳基礎尚缺乏認識,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)(圖1),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酯的共受體(SiBAK1)通過胞內的激酶結構互作,并競爭性地抑制油菜素內酯受體(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酯信號的過度激活,因此DPY1起到了“剎車”基因的作用(圖2)。該過程可以促進葉片中脈的遠軸厚壁細胞分裂及木質素的沉積,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及其調控機制,為作物株型改良提供了新的基因資源及研究思路。 

 

  1DPY1通過油菜素內酯信號調控葉片披垂     

  谷子是我國的原產作物,且至今仍是旱作生態農業的主栽作物,在食物多樣性和種植業結構調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、高效轉化、生育期短,且易于實驗室培養操作,正在快速發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展。 

  中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心趙美丞博士、中國農業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。中國農業科學院作物科學研究所刁現民研究員、吳傳銀研究員和中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業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。 

 

  2DPY1調控葉型的分子機制 

  全文鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.2002278117 

  參考文獻 

  [1] Tian J. et al., Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields. Science 365, 658–664 (2019). 

  [2] Sakamoto T. et al., Erect leaves caused by brassinosteroid deficiency increase biomass production and grain yield in rice. Nature biotechnology 24, 105–109 (2006). 

  [3] Diao X., J. Schnable, J. L. Bennetzen, J. Li, Initiation of Setaria as a model plant. Front. Agr. Sci. Eng. 1, 16–20 (2014). 

  [4] Li P., Brutnell T.  P., Setaria viridis and Setaria italica, model genetic systems for the Panicoid grasses. Journal of experimental botany 62, 3031–3037 (2011). 

    

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