2023年8月30日，The Plant Cell期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌研究組完成的題為“WD40 domain-containing protein Ehd5 positively regulates flowering in rice (Oryza sativa)”的研究論文。該論文報道了一個最新克隆的水稻抽穗期相關(guān)基因Ehd5，通過影響開花基因Ehd1，Hd3a/RFT1的表達來調(diào)節(jié)水稻開花。

　　抽穗期是水稻（Oryza sativa）重要的農(nóng)藝性狀之一，受外界環(huán)境和自身遺傳因素共同影響，決定著水稻的種植區(qū)域和季節(jié)適應(yīng)性。水稻作為一種典型的短日照植物，光周期途徑是調(diào)控其抽穗的關(guān)鍵途徑。近年來，已有多個光周期相關(guān)基因被克隆，這些基因共同形成以O(shè)sGI-Hd1-Hd3a 通路和Ghd7-Ehd1-Hd3a/RFT1 通路為核心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上解釋了水稻抽穗期變化的分子機制。但由于抽穗期的調(diào)控機制十分復(fù)雜，目前仍有一些相關(guān)基因和調(diào)控機理未被揭示。本研究利用遺傳學(xué)和分子生物學(xué)方法，克隆了一個新的抽穗期相關(guān)基因Ehd5（Early heading date 5），并對其基因功能進行解析，進一步完善了抽穗期分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為培育適應(yīng)性更廣的水稻品種提供了科學(xué)依據(jù)。

　　本研究通過對日本東北地區(qū)粳稻‘Tohoku IL9’（O. sativa ssp. Japonica）進行γ射線誘變處理，獲得了抽穗期相關(guān)突變體，該突變體表現(xiàn)為抽穗延遲、粒型變細長、單株產(chǎn)量降低等表型。利用突變體與野生型雜交構(gòu)建的F2 群體，進行分離群體混合池測序分析，同時結(jié)合兩個親本全基因組高覆蓋測序的比對結(jié)果，獲得了候選位點。將候選基因進行遺傳互補轉(zhuǎn)化實驗，最終鑒定到了抽穗期相關(guān)基因Ehd5。來自突變體的Ehd5 基因外顯子上發(fā)生4 個堿基的缺失，造成移碼突變，轉(zhuǎn)錄和翻譯提前終止。此外，在互補和過表達植株中，抽穗期、粒型、單株產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀都得到了恢復(fù)，證實了該基因能夠促進水稻開花和產(chǎn)量的提高。

　　對轉(zhuǎn)錄組測序和RT-qPCR 實驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，Ehd5 的表達受光周期的誘導(dǎo)，具有晝夜節(jié)律性，其基因功能缺失會造成成花素基因Hd3a/RFT1 和重要的光信號整合因子Ehd1 表達量顯著降低，進而導(dǎo)致抽穗期推遲。同時，酵母雙雜實驗、BiFC 實驗及LCI 實驗證明Ehd5 和Ghd8 之間存在蛋白互作，Ehd5-Ghd8復(fù)合體和Ghd8-Ghd7復(fù)合體之間存在著相互抑制的競爭性結(jié)合效應(yīng)，因此Ehd5 可以通過抑制Ghd8-Ghd7復(fù)合體的形成來促進下游Ehd1、Hd3a/RFT1基因的表達。蛋白功能預(yù)測顯示Ehd5 編碼一個在真核生物中高度保守的WD40 domain 重復(fù)蛋白，定位在細胞質(zhì)和細胞膜上。結(jié)合WGCNA 分析，初步推測此蛋白可能行使與跨膜運輸相關(guān)的生物學(xué)功能。此外，利用酵母雙雜交、BiFC 等實驗，證實了Ehd5 和抽穗期相關(guān)因子Roc4 存在蛋白水平上的互作；利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了roc4 單突和ehd5 roc4 雙突材料，證明了Ehd5-Roc4 復(fù)合體可促進Ehd1、Hd3a/RFT1 基因的表達進而促進抽穗。

　　基于基因互作和功能解析結(jié)果，本研究提出了一個水稻抽穗期基因調(diào)控模型：Ehd5 和Roc4 互作時，Ehd5 蛋白從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi)，Ehd5-Roc4 復(fù)合體定位于細胞核，共同調(diào)控下游抽穗期基因的表達；而Ehd5 和Ghd8 互作時，Ghd8 蛋白從細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移至胞質(zhì)內(nèi)，抑制了Ghd8-Ghd7復(fù)合體在細胞核內(nèi)的形成，導(dǎo)致該蛋白復(fù)合體無法發(fā)揮抑制作用，Ehd1、Hd3a/RFT1 表達量增加，抽穗提前。

　　中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌研究組的博士研究生張雪寧以及正高級工程師馮旗博士是論文的共同第一作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌研究員、王子軒研究員以及馮旗正高級工程師為共同通訊作者。上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃學(xué)輝教授等參與了該項研究。該研究工作得到中國科學(xué)院先導(dǎo)B、國家自然科學(xué)基金委和上海市科技興農(nóng)項目的資助。

　　文章鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad223/7256094?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=plcell&utm_medium=email

圖：Ehd5影響水稻開花的工作模型

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