贵州大学方中明课题组在水稻氨基酸转运基因调控产量上 取得进展

贵州大学方中明课题组在水稻氨基酸转运基因调控产量上取得进展

2024年05月23日

水稻是全球重要的粮食作物，水稻的产量潜力受多种因素的影响，分蘖是其中的关键因素，其影响单株穗数并最终决定产量。氮素是水稻生长的重要养分，调节水稻分蘖过程，而氨基酸是水稻体内运输和分配氮素的重要形式。因此，研究氨基酸及其转运蛋白是否及如何影响水稻生长发育特别是参与分蘖调控的生理机制，对水稻高产育种具有重要意义。

  近日，国际学术期刊BMC Plant Biology（IF=5.3）上在线发表了贵州大学农学院水稻产业技术研究院/贵州省粮油作物分子育种重点实验室、山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室方中明教授课题组题为“Blocking of amino acid transporter OsAAP7 promoted tillering and yield by determining basic and neutral amino acids accumulation in rice”的研究论文（论文链接：https://doi.org/10.1186/s12870-024-05159-5）。该研究发现氨基酸转运基因OsAAP7启动子区域的单倍型在籼稻和粳稻之间存在差异，OsAAP7蛋白主要调控氨基酸苯丙氨酸（Phe）、赖氨酸（Lys）、亮氨酸（Leu）和精氨酸（Arg）的转运。过表达OsAAP7抑制分蘖芽的伸长，而突变体表现出相反的结果。OsAAP7表达的改变影响水稻氮素和激素通路，进而负调控分蘖和产量。本论文研究结果对利用基因编辑技术进行水稻高产育种具有重要意义。

在本研究中，作者发现氨基酸转运基因OsAAP7启动子序列在籼稻和粳稻之间存在差异，与籼稻品种相比，含有OsAAP7较高表达量的粳稻品种分蘖量减少，这表明OsAAP7的表达量升高与水稻分蘖量减少之间存在潜在的相关性（图1）。之后对水稻组织中不同时期OsAAP7的表达模式及其亚细胞定位进行分析，发现OsAAP7在叶鞘的表达量较高，蛋白主要定位于内质网膜（图2）。酵母底物测试实验表明，OsAAP7蛋白主要运输氨基酸Phe、Lys和Leu（图3）。进一步发现OsAAP7基因表达量升高，水稻分蘖和单株产量降低，表明OsAAP7基因表达量与水稻分蘖和产量呈负相关（图4）。为了进一步探究OsAAP7基因表达量改变对水稻分蘖和产量调控的生理机制，对OsAAP7相关材料进行取材并进行转录组测序分析。结果表明，超表达及突变体材料分蘖芽中存在大量差异表达基因，并主要富集在氮代谢和植物激素途径，表明OsAAP7通过协调氮和植物激素通路负向调控腋芽生长（图5）。本研究阐明了氨基酸转运基因OsAAP7的功能，揭示了通过氮代谢和植物激素途径调控水稻分蘖和产量的生理机制。此外，利用CRISPR/Cas9技术敲除氨基酸转运基因OsAAP7，可以减少水稻中性和碱性氨基酸积累，最终促进水稻分蘖和产量，为水稻高产育种提供了新的基因资源和有效途径。

  该研究由贵州大学方中明教授课题组完成，方中明教授为论文的通讯作者，其指导的在读硕士研究生金锋和已毕业研究生谢鹏飞为论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、贵州省千人创新创业人才项目、贵州省优秀青年科技人才项目、贵州省基础研究计划重点项目和贵州省重点实验室项目等支持。

          图1 水稻氨基酸转运基因OsAAP7在籼稻和粳稻中的自然变异

      图2 水稻氨基酸转运基因OsAAP7在水稻不同时期及组织部位的表达模式

              图3 水稻氨基酸转运蛋白OsAAP7的酵母底物测试

          图4 水稻氨基酸转运基因OsAAP7超表达及突变体株系的表型

      图5 OsAAP7超表达及突变体株系分蘖芽中参与不同途径的基因表达模式