水稻株高与茎秆强度协同调控的遗传网络解析

Plant height and mechanical strength are two important agronomic traits, which determine lodge resistance and panicle architecture and are associated with crop yields. Rice internode development includes cell elongation and secondary wall formation. However, we still don’t know the upstream signals that link the two physiological processes during the internode development. The relevant regulatory pathways mediated by the signals are also unclear. Based on our previous findings on rice internodes development and GA relative mutants, we propose that GA is one of the most possible hormones that regulate cell elongation/plant height and secondary wall formation/mechanical strength, the two important agronomic traits. In this study, we focus on rice plants and aim to: 1. identify the key regulators that are required for cell elongation and secondary wall formation in rice internodes and reveal the regulatory pathways mediated by the key regulators; 2. characterize the relationships between the key regulators and GA signaling component SLR1 in cell elongation and secondary wall formation; 3. Identify the working model that links the two pathways and crosstalk with GA signals. Finally, reveal the molecular mechanisms underlying the GA synergistic effect on plant height and mechanical strength, which will benefit for coordinated improvement of the two agronomic traits, aiming to increase crop yield.

水稻株高与茎秆强度是与产量密切相关的重要农艺性状，决定了作物的抗倒伏性以及穗部形态。而茎秆的生长发育包含了细胞伸长和次生壁合成两个生理过程，但对于协同调控这两个生理过程的信号及其信号转导途径至今仍不清楚。我们实验室最近通过对水稻茎秆发育过程和赤霉素相关突变体的研究，发现水稻茎秆的伸长和茎秆强度均与赤霉素密切相关，赤霉素是联系株高和茎秆强度这两个农艺性状的重要信号。本研究将以水稻发育茎秆为研究对象，旨在通过遗传学、生物化学、分子生物学、植物化学等多学科手段明确茎秆发育过程中调控细胞伸长和次生壁形成关键转录因子，并揭示其遗传调控通路；研究调控细胞伸长和次生壁形成关键转录因子与赤霉素信号通路关键元件SLR1的作用模式，通过对两条信号通路关键节点的挖掘和功能研究阐明其协同调控机制，为株高和茎秆强度的协同改良和农作物单产水平的进一步提高提供理论依据和切入点。

水稻茎秆作为连接地下部与地上部的重要器官，为植株提供机械支撑，运输水分、养分，沟通源-库间的物质交流。茎秆的发育决定了株高与茎秆强度，是影响产量的重要因素。研究发现茎秆的生长发育包含了细胞伸长和次生壁沉积两个生理过程，而这两个过程均受赤霉素调控。然而，关于赤霉素调控茎秆发育的分子机理、尤其是细胞伸展的信号转导通路及其与次生壁沉积调控的关键节点与作用模式仍然未知。本项目通过一系列的生化、分子生物学及遗传学研究，揭示了发育茎秆中的内源赤霉素分布特征，明确了SLR1是协同调控细胞伸长和次生壁形成的关键节点。通过构建和筛选发育茎秆的酵母双杂交文库，获得了多个与SLR1互作的转录因子，并证明WRKY76和bHLH73为激活型转录因子，可以激活EXPA4的表达；而SLR1与WRKY76和bHLH73互作抑制了它们对EXPA4的转录激活。同时我们分析了SLR1蛋白在发育茎秆中的表达模式，发现茎秆中SLR1蛋白丰度稳定并具有磷酸化修饰。通过互作蛋白筛选获得了其特异性激酶，体外磷酸化实验证明这些激酶可以磷酸化SLR1，且具有减缓SLR1抑制活性的作用。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了转录因子WRKY76和bHLH73及多个激酶的突变体材料，突变体的表型从遗传上验证了其在调控茎秆发育中的功能。本研究首次在水稻茎秆中发现了不同于经典赤霉素信号转导途径的作用模式和调控机理，为茎秆性状改良分子设计育种提供依据。