科学家揭示调控种子发育关键基因的功能分化

野生型和突变型成熟种子表型 扬州大学供图

7月6日，扬州大学教授陈忱研究组在《植物杂志》上发表最新研究成果。他们发现，两个同源基因OsFIE1和OsFIE2在水稻演化及其调控种子发育过程中起到了重要作用，证实了它们在调控种子发育中的功能发生了分化。

粒重、穗粒数和有效穗数是水稻产量三要素。因此水稻籽粒的生长发育对于水稻产量具有重要意义。此前已证实，OsFIE1和OsFIE2是参与调控水稻籽粒发育的关键基因，但是对于其演化机制和功能分化研究并不清楚。

陈忱研究组阐明了OsFIE1、OsFIE2演化机制：OsFIE1是通过一次距今较近的OsFIE2复制事件产生的，只有稻族植物存在其同源基因；在稻属植物演化过程中，OsFIE1蛋白在N端产生了一段额外的序列；相较于OsFIE1以及其他PRC2成员，OsFIE2基因经历了显著的纯化选择。

进一步功能分析发现，OsFIE1蛋白的N端额外序列并不是造成OsFIE1和OsFIE2过表达植株表型差异的原因。在胚乳中特异过量表达OsFIE1能够导致种子变小。

通过创制OsFIE1和OsFIE2的CRISPR/Cas9敲除突变体材料，发现OsFIE1突变对种子早期发育的影响较小，但是osfie1籽粒显著变小、穗发芽明显增加；而OsFIE2突变导致胚乳细胞化过程受阻，无法获得osfie2纯合突变体。进一步分析表明，OsFIE1和OsFIE2对一些贮藏蛋白合成以及光合作用基因的表达调控存在加性效应。

该研究证明了OsFIE1和OsFIE2在调控种子发育中的功能发生了分化，OsFIE1主要在种子发育后期发挥作用，而OsFIE2对胚乳早期发育特别是细胞化过程中是必需的。研究结果将为改良作物籽粒大小和提高作物产量提供新的基因资源。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省杰出青年基金等项目的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1111/tpj.14911

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