Plant cell南京农业大学研究人员揭示水稻生物钟通过独角金内酯信号和糖敏感调节分蘖生长和穗部发育

生物钟调节动植物的生长发育,但人们对昼夜节律在作物生产中的作用知之甚少。水稻籽粒产量在很大程度上取决于分蘖,分蘖是由生理和遗传因素介导的。近日,南京农业大学的研究人员在 Plant Cell(IF:9.618)上发表了一篇名为“Rice Circadian Clock Regulates Tiller Growth and Panicle Development Through Strigolactone Signaling and Sugar Sensing”的文章,该文章报道了一个调节机制,包括生物钟,糖和独角金内酯途径来调节水稻分蘖芽和穗的发育。

文章来源

 

OsCCA1作用于OsTB1或D14的上游,调节独角金内酯途径

为了探讨OsCCA1在独角金内酯生物合成中的作用,研究人员测量了epi-5DS,一种内源性的甾体内酯,在水稻根系分泌物中发现,OsCCA1突变体植株的epi-5DS含量降低。CHIP-qPCR分析显示OsCCA1与D14或D53的启动子结合。D14和OsCCA1的表达节律相似,在对照植物分蘖芽中的峰值出现在前期,而D14在OsCCA1-OE系中上调,但在OsCCA1-AS8系和OsCCA1突变体中受到抑制。然而,对照组中D53的表达没有明显的节律性,在OsCCA1-OE系中D53表达略有增加,在OsCCA1-AS8系和OsCCA1突变体中下降。这可能表明D53由OsCCA1间接调节或由OsCCA1和D14共同调节。遗传数据表明D14作用于OsCCA1下游。这些数据表明,OsCCA1通过调控OsTB1和D14的表达来抑制分蘖芽的生长。

图1:OsCCA1影响司他内酯途径,并作用于OsTB1和D14的上游

图1:OsCCA1影响司他内酯途径,并作用于OsTB1和D14的上游

 

糖通过OsCCA1的表达调控水稻分蘖

研究人员假设糖调节OsCCA1影响分蘖芽生长的表达,为了验证这个假设,用糖诱导实验检测了糖是否调节OsCCA1的表达。结果表明,蔗糖是OsCCA1在根中表达的负调控因子。然而,在幼苗芽中,蔗糖对OsCCA1表达的影响是积极的,这与拟南芥芽中的发现一致。

图:2糖抑制OsCCA1在根中的表达

图:2糖抑制OsCCA1在根中的表达

 

结果表明,尽管观察到拟南芥(真双子叶植物)和水稻(单子叶植物)在1.3亿至2亿年前发生了分化,但生物钟在调节分枝中的作用是保守的。此外,植物昼夜节律时钟可以有效地感知白天的长度和光照的强度,并整合糖信号来调节分枝/分蘖和植物结构。分蘖数和穗大小直接影响谷物作物产量。因此,了解生物钟如何将外部信号与遗传途径结合起来,以平衡分蘖芽和穗的发育,将有助于我们设计改善水稻和其他谷类作物结构和产量的策略。

 

参考文献:

【1】Bass,J.,and Takahashi,J.S.(2010).Circadian integration of metabolism and energetics.Science 330,1349-1354.

【2】Clough,S.J.,and Bent,A.F.(1998).Floral dip: a simplified method for  Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant J 16, 735-743.

【3】Greenham,K.,and McClung,C.R.(2015).Integrating circadian dynamics with physiological processes in plants. Nat Rev Genet 16, 598-610.

文献链接:https://doi.org/10.1105/tpc.20.00289

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