分子植物科学卓越创新中心韩斌研究组在水稻开花机制研究方面取得新进展
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2023-09-02 | 【】 【】
2023年8月30日，the plant cell期刊在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌研究组完成的题为“wd40 domain-containing protein ehd5 positively regulates flowering in rice (oryza sativa)”的研究论文。该论文报道了一个最新克隆的水稻抽穗期相关基因ehd5，通过影响开花基因ehd1，hd3a/rft1的表达来调节水稻开花。
抽穗期是水稻（oryza sativa）重要的农艺性状之一，受外界环境和自身遗传因素共同影响，决定着水稻的种植区域和季节适应性。水稻作为一种典型的短日照植物，光周期途径是调控其抽穗的关键途径。近年来，已有多个光周期相关基因被克隆，这些基因共同形成以osgi-hd1-hd3a 通路和ghd7-ehd1-hd3a/rft1 通路为核心的调控网络，在一定程度上解释了水稻抽穗期变化的分子机制。但由于抽穗期的调控机制十分复杂，目前仍有一些相关基因和调控机理未被揭示。本研究利用遗传学和分子生物学方法，克隆了一个新的抽穗期相关基因ehd5（early heading date 5），并对其基因功能进行解析，进一步完善了抽穗期分子调控网络，为培育适应性更广的水稻品种提供了科学依据。
本研究通过对日本东北地区粳稻‘tohoku il9’（o. sativa ssp. japonica）进行γ射线诱变处理，获得了抽穗期相关突变体，该突变体表现为抽穗延迟、粒型变细长、单株产量降低等表型。利用突变体与野生型杂交构建的f2 群体，进行分离群体混合池测序分析，同时结合两个亲本全基因组高覆盖测序的比对结果，获得了候选位点。将候选基因进行遗传互补转化实验，最终鉴定到了抽穗期相关基因ehd5。来自突变体的ehd5 基因外显子上发生4 个碱基的缺失，造成移码突变，转录和翻译提前终止。此外，在互补和过表达植株中，抽穗期、粒型、单株产量等农艺性状都得到了恢复，证实了该基因能够促进水稻开花和产量的提高。
对转录组测序和rt-qpcr 实验结果进行分析发现，ehd5 的表达受光周期的诱导，具有昼夜节律性，其基因功能缺失会造成成花素基因hd3a/rft1 和重要的光信号整合因子ehd1 表达量显著降低，进而导致抽穗期推迟。同时，酵母双杂实验、bifc 实验及lci 实验证明ehd5 和ghd8 之间存在蛋白互作，ehd5-ghd8复合体和ghd8-ghd7复合体之间存在着相互抑制的竞争性结合效应，因此ehd5 可以通过抑制ghd8-ghd7复合体的形成来促进下游ehd1、hd3a/rft1基因的表达。蛋白功能预测显示ehd5 编码一个在真核生物中高度保守的wd40 domain 重复蛋白，定位在细胞质和细胞膜上。结合wgcna 分析，初步推测此蛋白可能行使与跨膜运输相关的生物学功能。此外，利用酵母双杂交、bifc 等实验，证实了ehd5 和抽穗期相关因子roc4 存在蛋白水平上的互作；利用基因编辑技术构建了roc4 单突和ehd5 roc4 双突材料，证明了ehd5-roc4 复合体可促进ehd1、hd3a/rft1 基因的表达进而促进抽穗。
基于基因互作和功能解析结果，本研究提出了一个水稻抽穗期基因调控模型：ehd5 和roc4 互作时，ehd5 蛋白从胞质转移至细胞核内，ehd5-roc4 复合体定位于细胞核，共同调控下游抽穗期基因的表达；而ehd5 和ghd8 互作时，ghd8 蛋白从细胞核内转移至胞质内，抑制了ghd8-ghd7复合体在细胞核内的形成，导致该蛋白复合体无法发挥抑制作用，ehd1、hd3a/rft1 表达量增加，抽穗提前。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌研究组的博士研究生张雪宁以及正高级工程师冯旗博士是论文的共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌研究员、王子轩研究员以及冯旗正高级工程师为共同通讯作者。上海师范大学生命科学学院黄学辉教授等参与了该项研究。该研究工作得到中国科学院先导b、国家自然科学基金委和上海市科技兴农项目的资助。
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图：ehd5影响水稻开花的工作模型
