文章信息
文章題目：Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition
期刊：Science
發(fā)表時間：2024年3月8日
主要內(nèi)容：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所童紅寧研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊，在Science雜志上發(fā)表了文章Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition，該研究破譯了復(fù)粒稻多粒簇生形成的機制，發(fā)現(xiàn)了控制簇生形成的基因編碼植物激素油菜素甾醇（BR）的代謝基因，因復(fù)粒稻中該基因前存在復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)變異，導(dǎo)致該基因特異地在水稻穗分枝發(fā)育過程中被激活，并通過由BR水平改變誘發(fā)的一系列分子事件，促進(jìn)了水稻穗分枝和穗粒數(shù)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量增加。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838
使用TransGen產(chǎn)品：
pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)
研究背景
上世紀(jì)三十年代起，印度、美國、日本等世界各國的遺傳學(xué)家陸續(xù)報道了一種獨特的水稻，英文稱之為“clustered-spikelet rice”（意為簇生小穗水稻），中文稱之為“復(fù)粒稻”或“簇生稻”。與常見的單粒水稻不同，復(fù)粒稻通常三粒種子簇生在一起，有學(xué)者形象地稱之為“三粒奇”。在某些背景下，簇生會使得稻穗酷似麥穗，因此又有人稱之為“麥穎稻”。
在沒有基因組序列的時代，復(fù)粒稻因其表型明顯而獨特，被遺傳學(xué)家廣泛用于構(gòu)建染色體連鎖群，并發(fā)現(xiàn)控制簇生的位點CL與控制水稻糯性的位點Wx在6號染色體存在連鎖。Wx于1990年被克隆成為控制水稻籽粒品質(zhì)的核心基因，而CL由于其控制的簇生性狀具有增產(chǎn)的潛力，雖然引起了眾多關(guān)注，但是只能將其定位在6號染色體的一個較大的區(qū)間內(nèi)。這種一致的定位區(qū)間暗示不同來源的復(fù)粒稻應(yīng)由同一個位點控制，然而關(guān)于其遺傳特性的相關(guān)報道存在諸多不一致的地方。距今已經(jīng)報道了將近一百年，復(fù)粒稻控制基因以及小穗簇生發(fā)生的機理始終是未解之謎。
文章概述
復(fù)粒稻表型顯著，但通過圖位克隆始終無法定位到具體基因?？紤]到圖位克隆依賴于雜交群體的構(gòu)建和后代性狀與目的基因型的共分離，一是可能CL位點包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變異，導(dǎo)致一定區(qū)間內(nèi)的連鎖不平衡和后代偏分離，二是可能該性狀易受到父母本基因組合的影響，導(dǎo)致后代個體表型與目的基因型的非絕對關(guān)聯(lián)性分離，對精細(xì)定位造成了干擾。為此，研究人員另辟蹊徑，以復(fù)粒稻為背景，通過化學(xué)誘變，從包含1萬份誘變株系、16萬份誘變單株的群體中篩選出2份不簇生的突變體株系，進(jìn)而以復(fù)粒稻為對照，以不簇生的突變體為對象進(jìn)行回交群體構(gòu)建，結(jié)合重測序和關(guān)聯(lián)分析，最終克隆到了目的基因。結(jié)果表明，一個被稱為BRD3的BR代謝酶基因，在誘變過程中發(fā)生了突變，導(dǎo)致了簇生的消失。而對復(fù)粒稻基因組進(jìn)行組裝發(fā)現(xiàn)，BRD3前存在倒位、缺失、插入等復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)變異，激活了BRD3的表達(dá)，導(dǎo)致BR減少，是簇生發(fā)生的主要原因。因此CL實際上是指包含了復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異并激活BRD3表達(dá)的整個染色體區(qū)段。復(fù)粒稻簇生性狀與結(jié)構(gòu)變異緊密連鎖，并且復(fù)粒稻表型與BR激素水平直接相關(guān)，解釋了通過圖位克隆無法成功克隆CL的原因；而以復(fù)粒稻為對照在同一背景下進(jìn)行抑制子的篩選，避免了上述問題，為作物復(fù)雜性狀的調(diào)控基因克隆提供了方法借鑒。
BR最早發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)七十年代末，現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用的一種植物生長調(diào)節(jié)劑。研究發(fā)現(xiàn)，BR顯著控制著水稻的株高、葉夾角、籽粒大小等關(guān)鍵育種性狀，但BR如何控制穗粒數(shù)并不清楚。嚴(yán)格的比較分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)粒稻穗的二級分枝以及穗粒數(shù)顯著增多。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于水稻穗分枝過程 “二級分枝分生組織”（SBM）向“小花分生組織”(SM)的轉(zhuǎn)變延遲，從而產(chǎn)生了更多的SBM和SM，伴隨著小穗柄變短，導(dǎo)致了簇生表型的發(fā)生。與此觀察完全一致，研究人員通過多種技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)BRD3特異地在SBM激活表達(dá)，導(dǎo)致了該部位的BR含量減少，使得BR信號通路核心抑制子GSK2被激活，GSK2進(jìn)而磷酸化轉(zhuǎn)錄因子OsMADS1并促使其更加穩(wěn)定，后者又直接結(jié)合RCN2并促進(jìn)其表達(dá)。RCN2作為擬南芥TFL1的同源基因，是調(diào)控SM身份性的重要因子，被激活后延遲了SBM向SM的轉(zhuǎn)變，使得水稻具有更多的時間來進(jìn)行分枝，從而促進(jìn)了二級分枝，增加了穗粒數(shù)。穗分枝是一個復(fù)雜而有序的過程，伴隨著一系列分生組織轉(zhuǎn)化事件的發(fā)生，該研究是首次發(fā)現(xiàn)BR在控制水稻穗二級分枝過程中的重要調(diào)控作用。
育種本質(zhì)上是多性狀的平衡優(yōu)化過程，而穗粒數(shù)和籽粒大小之間的負(fù)相關(guān)是育種過程中難以克服的問題之一，一定程度上限制了當(dāng)前水稻單產(chǎn)的進(jìn)一步提升。BR對籽粒大小的促進(jìn)作用極為顯著，而該研究發(fā)現(xiàn)的BR對穗粒數(shù)的抑制作用，代表了一種全新的兩個關(guān)鍵產(chǎn)量性狀間的平衡機制。尤為重要的是，復(fù)粒稻對水稻種子大小和品質(zhì)幾乎毫無影響，但穗分枝和穗粒數(shù)顯著增多，導(dǎo)致了產(chǎn)量相應(yīng)地增加。免疫熒光和原位雜交等體內(nèi)檢測技術(shù)證實，GSK2、OsMADS1、RCN2三者和BRD3一樣，均在SBM中被特異性地激活。因此，復(fù)粒稻中BR含量組織特異性地受到抑制，從而避免了BR缺陷對籽粒大小的負(fù)面影響。BR雖然被認(rèn)為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與作物改良上具有重要應(yīng)用潛力，但作為激素的功能多效性是BR應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)之一，該研究發(fā)現(xiàn)空間特異性地控制激素含量可有效破解性狀間的偶聯(lián)，揭示了一種通過優(yōu)化BR空間分布來避免激素負(fù)效應(yīng)的新策略。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步將CL導(dǎo)入到不同品種中，證實復(fù)粒稻簇生性狀具有巨大的增產(chǎn)潛力，并且由于促進(jìn)穗分枝機制上的不同，CL可以和著名的穗粒數(shù)控制基因Gn1a聯(lián)合使用進(jìn)一步增加產(chǎn)量。通過雜交選育將CL和Gn1a聚合后，水稻穗粒數(shù)最高可達(dá)600粒之多。此外，研究團(tuán)隊通過對簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的薔薇和非簇生花的玫瑰進(jìn)行BR測量比較發(fā)現(xiàn)，和水稻一樣，簇生與非簇生之間具有類似的BR含量變化。這一結(jié)果暗示，BR控制簇生的機制在大自然中可能具有普遍性。多年多點田間比較試驗發(fā)現(xiàn)，由于CL通過控制激素水平發(fā)揮功能，而激素本質(zhì)上具有微量高效并易受環(huán)境影響的特點，因此CL增產(chǎn)效果與背景材料中的激素水平以及種植條件密切相關(guān)。
全式金產(chǎn)品支撐
優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金的pEASY 系列克隆載體產(chǎn)品pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)助力本研究。
pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)
本產(chǎn)品消除了pEASY?-Blunt Cloning Vector上的多克隆位點，方便在目的基因上設(shè)計酶切位點，包含LacZ基因，在含有IPTG和X-gal的平板培養(yǎng)基上，可進(jìn)行藍(lán)白斑篩選，適用于平端克隆。
產(chǎn)品特點：
● 快速：僅需5分鐘。
● 簡單：加入片段即可。
● 高效：陽性率高。
● 提供氨芐青霉素和卡那霉素兩種篩選標(biāo)記，便于根據(jù)實驗選擇篩選標(biāo)記。
● 方便在目的基因上設(shè)計酶切位點。
● T7 Promoter用于體外轉(zhuǎn)錄。
● Trans1-T1感受態(tài)細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率高，生長速度快，確?？寺?shù)，節(jié)約篩選時間。
全式金產(chǎn)品再一次登上Science期刊，證明了大家對全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實力的認(rèn)可，也完美詮釋了全式金一直以來秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續(xù)助力科研。
使用pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：
? Zhang W, Wan H, Feng G, et al. SIRT6 deficiency results in developmental retardation in cynomolgus monkeys[J]. Nature, 2018.
? Wu X, Yu C, Mu W, et al. The structural mechanism for transcription activation by Caulobacter crescentus GcrA[J]. Nucleic Acids Research, 2023.
? Li Y, Du Y, Huai J, et al. The RNA helicase UAP56 and the E3 ubiquitin ligase COP1 coordinately regulate alternative splicing to repress photomorphogenesis in Arabidopsis[J]. The Plant Cell, 2022.
? Wang X, Liu C, Zhang S, et al. N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles[J]. Developmental cell, 2021.
? Li L, Fang C, Zhuang N, et al. Structural basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors[J]. Nature communications, 2019.
