科研人員發現可同時調控水稻分蘗角度和產量基因

　　記者1月11日從湖南省農業科學院獲悉，隸屬于該院的湖南省水稻研究所聯合中國農業科學院生物技術研究所，克隆了一個水稻葉綠體蛋白LTA1，其可通過影響重力反應調控水稻的分蘗角度，同時通過影響葉綠體的結構和功能降低光合作用效率，導致水稻減產。

　　這一成果近日在線發表于《作物學報》（The Crop Journal）上，湖南省水稻研究所潘孝武副研究員為該文第一作者，該所李小湘研究員和中國農業科學院生物技術研究所黃榮峰研究員為共同通信作者。該研究得到了國家自然科學基金項目、長沙市杰出創新青年培養計劃和湖湘青年英才項目的資助。

　　通過改良水稻株型培育具有理想株型的新品種，是提高水稻單產的重要途徑。分蘗角度是水稻株型的重要構成因素之一，直接影響水稻的種植密度、光合效率、抗倒性以及病蟲害發生情況，最終影響水稻的產量和收獲指數。盡管這一性狀在育種實踐中被重點關注，但目前已克隆的分蘗角度基因很少，業界對其分子機理的研究相對滯后，分蘗角度基因如何影響水稻產量仍不清楚。

　　研究人員發掘到一個分蘗角度明顯增大的突變體lta1，其結實率和產量明顯下降。組織切片結果表明，lta1突變體分蘗基部遠地端的細胞長度顯著長于野生型。重力誘導實驗發現，突變體莖稈內的生長素側向運輸受阻，導致重力反應削弱，從而表現出分蘗角度增大的表型。圖位克隆將LTA1基因定位于水稻第2染色體，編碼一個具有保守YbaB DNA結合結構域的葉綠體蛋白，遺傳互補和基因敲除實驗均證明LTA1確實調控了水稻的分蘗角度和產量。熒光定量PCR結果表明，該基因主要在葉片、葉鞘等光合組織中表達。

　　植物感受重力刺激，并在重力方向上發生生長反應的現象稱為植物的向重力性。潘孝武介紹，在重力刺激下，正常水稻植株在近地端和遠地端會形成生長素濃度梯度，近地端細胞分裂生長加快，莖基部形成彎曲向上生長。但lta1突變體內源生長素的側向運輸受阻，近地端的生長素含量降低，向重力性反應減弱，導致分蘗角度增大。LTA1基因編碼葉綠體蛋白，該基因突變引起葉綠體結構異常，進而導致葉綠素含量和光合作用速率下降，最終導致產量下降。因此，LTA1主要通過影響水稻的向重力性調控水稻的分蘗角度，通過影響葉綠體結構和光合作用效率影響水稻產量。

　　在水稻的生長發育過程中，分蘗角度呈現動態變化，發育前期株型松散以實現早發快長，發育后期株型緊湊以改善群體光合作用效率。分蘗角度的動態變化在生產上具有重要意義，發掘特異種質資源，解析分蘗角度動態變化的遺傳機制是重點和難點。“該基因的克隆和功能研究有助于闡明水稻分蘗角度的遺傳控制機制，為解析分蘗角度與產量的相互關系提供新的依據。”潘孝武表示。

　　“由于LTA1基因突變本身導致葉綠體結構異常和光合作用下降，因此水稻產量下降的原因并非分蘗角度增大這個單一因素，故本研究尚不能證明株型分散和株型緊湊的水稻哪個更優。”潘孝武表示，未來團隊將繼續開展分蘗角度基因的定位和克隆，重點解析水稻分蘗角度動態變化的分子遺傳機制；從種質資源中發掘更多分蘗角度基因的優良變異，利用分子標記輔助選擇創制適宜分蘗角度的新種質，培育具有理想株型的高產新品種。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cj.2021.10.005