中国农业大学孙传清、朱作峰研究组合作揭示水稻驯化过程中花序二级枝梗增加的分子机制

水稻（Oryza sativa L.）是重要的粮食作物，为全球近一半人口提供主食。水稻是由野生稻（O. rufipogon Griff.）驯化而来。水稻产量的增加是水稻驯化过程中的关键事件，稻米产量由穗数、穗粒数和粒重共同决定，其中穗粒数表现出高度可变性并且受花序分枝的影响很大。普通野生稻的花序几乎没有二级枝梗，产生的种子较少，产量较低；相反，栽培稻的花序具有较多的二级枝梗，因此种子数量和水稻产量均显著提高。因此，花序二级枝梗数目是决定水稻产量的关键农艺性状，但是水稻驯化中这一关键转变的分子机制仍然未知。



野生稻（a）和栽培稻(b)的花序枝梗

近日，中国农业大学孙传清教授和朱作峰教授为共同通讯作者在 Plant Journal 在线发表了一篇题为“Variation in FZP regulatory region causes increases of inflorescence secondary branches and grain yield in rice domestication”的研究论文，阐述了在水稻驯化过程中花序二级枝梗增加的分子机制。




该研究鉴定到了CONTROL OF SECONDARY BRANCH 1（COS1）基因，在水稻驯化过程中，该基因在调控花序二级枝梗数量和谷物产量方面发挥关键作用。图位克隆发现，COS1基因与FRIZZY PANICLE（FZP）为同一基因。FZP起始密码子上游约2.7kb的4-bp缺失会影响OsARF6（Auxin Response Factors）与FZP启动子的结合，从而下调其表达，显著增加二级枝梗的数量，提高水稻产量。该研究进一步通过功能分析表明，类胰蛋白酶（丝氨酸和半胱氨酸蛋白酶）NARROW LEAF 1（NAL1），与FZP相互作用并促进FZP降解。在栽培品种Zhonghua 17中降低FZP的表达或是提高NAL1的表达，都会增加二级枝梗的数量及穗粒数，进而提高水稻籽粒产量。

此外，值得注意的是， FZP一方面可负调控枝梗分生组织的形成，降低其表达可增加花序二级枝梗；然而，另一方面FZP是花发育不可或缺的。敲除或是严重敲低FZP会大量增加二级枝梗的数量，但会严重影响籽粒形成。因此，维持适当水平的FZP对于水稻籽粒发育和产量形成是必需的。


FZP and NAL1在水稻驯化和改良过程中的作用模型

该研究最后提出了在驯化改良过程中通过增加二级枝梗数量提高水稻产量的模型。栽培稻中FZP启动子中的4-bp缺失影响OsARFs的转录调控，从而降低FZP的表达，提高了驯化过程中水稻花序次生枝梗数量和水稻产量。NAL1介导的FZP降解可以用于微调水稻花序二级枝梗和籽粒产量。该研究不仅为水稻驯化中提高的籽粒数和产量的分子机制提供了新的见解，也为提高水稻产量提供了重要的遗传资源。
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论文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.14062

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