作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2021/5/21 17:19:17
选择字号:
水稻糊粉层细胞命运决定和营养改良机制获揭示

 

 OsmtSSB1调控水稻亚糊粉层细胞命运的分子机制

(AL:糊粉层;SAL:亚糊粉层;SE:淀粉胚乳)刘春明供图

近日,《分子植物》在线发表了中国科学院植物研究所/北京大学现代农学院教授刘春明团队最新成果。该研究不仅提升了科学家对胚乳细胞分化机理的了解,也为禾谷类作物营养品质改良提高提供了新思路。

论文通讯作者刘春明介绍,水稻胚乳是人类最重要粮食来源之一,为全球一半以上的人口提供主食。三倍体的水稻胚乳是由受精的极核发育而来。灌浆期的水稻胚乳由外向内依次为糊粉层、亚糊粉层和淀粉胚乳三部分。成熟胚乳的糊粉层为活细胞,主要累积蛋白质、脂肪酸、维生素和微量元素;淀粉胚乳为死细胞,主要累积淀粉。位于二者之间的亚糊粉层细胞作为一种过渡细胞类型,在发育早期既累积淀粉也累积蛋白质,在胚乳发育后期分化为淀粉胚乳。尽管糊粉层和淀粉胚乳细胞具有相同的发育起源,但是它们的细胞学形态、基因表达、营养物质组成和细胞命运却有很大差异,其背后的分子机理尚不清楚。

2018年刘春明研究组报道了一种新的半粒种子筛选方法,利用这一方法筛选了近3万粒经EMS诱变处理后的第二代种子,获得了两个糊粉层增厚的水稻品系ta1和ta2,二者均呈现糊粉层加厚和营养品质提升的表型。分子遗传学证据表明ta2的表型是由表观遗传起核心作用的DNA去甲基化酶基因OsROS1的显性负突变产生,其糊粉层由野生型水稻的1-2层细胞增加到4-10层,进而显著提高了水稻颖果的营养品质。

在刚刚发表的论文中,他们发现,ta1的糊粉层厚度约为野生型的2倍,且增加的糊粉层由亚糊粉层细胞发育而来。图位克隆结果表明,ta1糊粉层加厚的表型是由OsmtSSB1基因突变引起。该基因编码一个定位于线粒体的单链DNA结合蛋白,在颖果的糊粉层、亚糊粉层和胚胎中高表达,而在淀粉胚乳中不表达。

进一步实验发现,OsmtSSB1-GFP定位于线粒体,具有特异的单链DNA结合活性。OsmtSSB1蛋白可分别与线粒体重组酶RECA3和DNA解旋酶TWINKLE互作。在野生型植物中用RNA干扰的技术降低RECA3或TWINKLE的表达可以模拟ta1糊粉层加厚表型。

此外,ta1糊粉层细胞线粒体的异常DNA重组增加,电子传递链复合体I的含量及其NADH脱氢酶活性降低,导致胚乳中线粒体形态异常和ATP含量降低。由此他们推测,OsmtSSB1可能是通过与RECA3和TWINKLE相互作用,抑制水稻糊粉层细胞线粒体基因组DNA异常重组,维持线粒体有效的能量供应。而有效的能量供给是亚糊粉层细胞分化为淀粉胚乳细胞所必须的。

中紫1号表现出株高增加,粒型增大和糊粉层加厚的表型。刘春明供图

值得关注的是,他们通过多年的分子辅助育种工作将ta1糊粉层加厚性状导入到紫米品种紫香糯1306,并由此选育出糊粉层加厚、营养品质大幅度提高的紫米新品种(中紫1号)。

该研究得到了中科院战略性先导科技专项A类、北京市科学技术委员会及国家科技部等项目的资助。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.05.016

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
研究揭示演化晚期特殊恒星的起源 破译花椒“地图”,寻找麻香味的秘密
年龄越大,白矮星磁性越强 整体微小激光器现身
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文