生化学院张可伟课题组在国际植物生理顶级期刊Plant Physiology发表研究成果
日期: 2022-08-31 编辑: 供稿单位: 生化学院

8月29日,浙江师范大学生化学院张可伟教授课题组在国际植物生理顶级期刊Plant Physiology在线发表了题为“Cytokinins Regulate Rice Lamina Joint Development and Leaf Angle”的研究论文,揭示了细胞分裂素参与调控水稻叶枕发育和叶夹角大小的机制。


株型是决定水稻产量的重要因素,而叶夹角是其中重要的农艺性状之一。直立叶适宜密植,可减少植株间的相互遮蔽,增加光合效率,提高作物产量。叶夹角的大小主要由叶枕控制,叶枕发育过程中的细胞分裂和伸长能导致叶片倾角的改变。细胞分裂素(cytokinin, CK)是调控农作物形态生理和产量的重要激素之一,与干细胞分裂、穗发育、株型、氮肥利用、环境胁迫等均密切相关,但在调控水稻叶枕发育和叶夹角大小中的作用仍然未知。


细胞分裂素在叶夹角形成中的作用尚不清楚,为了揭示细胞分裂素在水稻叶夹角形成中的调控作用,研究者首先利用CRISPR-Cas9基因编辑技术创制的水稻10个细胞分裂素氧化酶突变体(osckx1-11)进行表型分析,发现osckx3突变体的叶角变小,而过表达株系 (OsCKX3-OE) 的叶角增大(图1)。


图 1. OsCKX3敲除突变体和过表达株系的叶夹角表型鉴定


组织切片显示,osckx3和OsCKX3-OE株系叶片倾角变化是由于叶枕细胞和维管束不对称增殖所致。qRT-PCR、启动子融合的GUS表达和亚细胞定位分析表明OsCKX3在叶枕中高量表达,OsCKX3-GFP融合蛋白定位于内质网(ER)。体外重组OsCKX3蛋白对反式(trans-Zeatin,tZ)和异戊烯基腺嘌呤 (isopentenyladenine,iP) 表现出较强的偏好性,但是对其他形式的细胞分裂素没有催化活性。与此相对应叶枕处的激素测定结果显示,tZ 和 iP 在osckx3突变体中增加,但在OsCKX3过表达株系中减少。qRT-PCR结果显示细胞分裂相关基因 CYC U41osckx3突变体中表达增加,但在 OsCKX3 过表达株系中减少。说明细胞分裂素正向调控水稻叶枕中CYC U4;1基因的表达,从而负调控叶夹角(图2)。前人研究表明CYC U4;1受油菜素内酯(BR)信号负调控。因此,大家推测BR和细胞分裂素可能通过CYC U4;1节点拮抗调控叶夹角大小。BR信号缺陷突变体能显著减小叶夹角,与此同时也降低了株高和籽粒大小。有意思的是osckx3的叶夹角变小,但是株高不变,其一次枝梗数、籽粒大小、千粒重和剑叶大小均有所增加。


综上所述,该研究揭示敲除OsCKX3基因能提高叶枕处的细胞分裂素水平从而负调控叶夹角,进一步表明细胞分裂素代谢途径在作物改良上具有巨大潜力。


图2. OsCKX3介导CK稳态调控水稻叶枕发育和叶夹角的示意图模型。


浙江师范大学生化学院张可伟教授为通讯编辑,张可伟课题组黄鹏博士和赵江哲博士为该论文的第一编辑。硕士生洪佳乐、朱宝、夏帅和本科生韩平飞以及生化学院朱恩高博士为共同编辑。该研究得到了国家自然科学基金(32100270)、浙江省自然科学基金(LQ20C130004 、LY22C020003)和国家重点研发专项(2016YFD0100901)的支撑。



编辑:赵菡婧

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