华南农大刘耀光院士团队揭示水稻抽穗期感光性演变的分子机制

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    New Phytologist 华南农大刘耀光院士团队揭示水稻抽穗期感光性演变的分子机制



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    2020年10月22日,华南农业大学、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室刘耀光院士团队在New Phytologist在线发表了题为Strong Photoperiod Sensitivity is Controlled by Cooperation and Competition among Hd1, Ghd7 and DTH8 in Rice Heading 的研究论文,揭示了水稻抽穗期感光性演变的分子机制。






    植物的感光性主要由长日与短日条件下的抽穗期差异决定。水稻为短日照植物,古老的水稻适应南方短日环境,具有强感光性,即在长日季节不抽穗,在短日季节才抽穗开花。在人工选择的作用下,许多现代水稻品种具有较弱感光性,可以在更高纬度地区(更长日长条件)种植而抽穗结实,使水稻适应于更广大区域的种植。以前的研究发现,水稻的抽穗期感光性涉及多个主效基因如Hd1Ghd7DTH8(简称HGD。然而,这些基因是怎样协同作用来调控抽穗期感光性的机制尚不清楚。




    该研究从一份强感光的水稻材料的遗传分析入手,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,创建了相同遗传背景下H, G, D不同功能组合的8种基因型材料,即三个基因都有功能的HGD,两个基因有功能的hGDHgDHdG,单基因功能的Hgd, hGd, hgD,和三基因都没有功能的hgd。在同一个生长季节观察了这些材料在自然短日,人工短日和人工长日处理下的抽穗期和感光性。发现无论日长如何,Hd1Hgd单基因都促进抽穗,而Ghd7hGd单基因抑制抽穗。然而,长日下这些携带双基因或三基因组合的材料中存在基因间的分子互作,其蛋白形成不同的抑制复合体,从而部分抑制(双基因)或完全沉默(三基因)Ehd1-Hd3a/RFT1开花通路,产生不同程度的延迟抽穗或不抽穗。而短日下,Ghd7的表达很低,Hd1的原始促进作用与抑制复合体之间表现出竞争的关系,可以不同程度地促进抽穗。




    (A) 8种基因型植株在人工短日(ASD),自然短日(NSD)和人工长日(ALD)条件下的表型;(B) 8种基因型植株在三种日长条件下的抽穗期(DTH)和感光指数(mPSI)




    基于以上结果,该研究揭示出HGD三基因的感光性最强,双基因组合感光性中等,单基因和hgd感光性最弱的感光性演变规律。进一步研究发现,我国不同地域水稻品种的感光性强弱与这三个基因的不同组合也符合这种对应关系:华南地区携带功能型HGD组合的部分农家品种(晚稻品种)具有强感光性,而早稻品种为非HGD组合具有较弱感光性;华中地区的部分粳稻品种携带HGD而有较强的感光性,而华北和东北地区的水稻品种都是非HGD组合,只有弱感光性。




    Hd1、Ghd7和DTH8间的遗传分子互作与感光性变化的模型




    综上所述,该研究构建了HGD三基因间的遗传互作与感光性演变的框架,有助于深入研究它们之间协作和竞争的分子调控机制,并且为培育具有不同感光性、适应不同区域种植的水稻新品种提供了理论依据。




    华南农业大学博士研究生宗伍辈任丁为论文共同第一作者,郭晶心研究员和刘耀光院士为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发和国家自然科学基金的资助。




    文章链接:


    http://dx.doi.org/10.1111/nph.16946