两个拮抗的bHLH转录因子对水稻种子休眠的调控

金晶，储成才

两个拮抗的bHLH转录因子对水稻种子休眠的调控

金晶，储成才

岭南现代农业科学与技术广东省实验室，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，华南农业大学农学院，广州 510642

种子休眠(seed dormancy)是指有生活力的种子在适宜的萌发条件下不能萌发的现象，且其程度受环境调节[1,2]。种子休眠不仅为种子传播扩散争取了时间，也是调节种子最佳时间、空间萌发的有效方法，是植物经过长期演化而获得的一种对环境尤其是季节性变化的适应性生存策略[2]。然而，在作物驯化过程中，由于考虑到大规模生产实践需要保证种子播种后发芽的一致性，往往忽略了对种子适度休眠的保留，导致种子在收获期如遇高温高湿条件籽粒易在穗上萌发的现象，也称为穗发芽(pre- harvest sprouting)[3]。穗发芽不仅会造成作物减产和品质下降，还会影响作物制种质量和下一季播种，严重威胁粮食安全。近年来随着全球气候变化和极端天气的频发，导致水稻、小麦、大麦等禾谷类作物穗发芽严重，造成减产[4]。在我国南方由于梅雨季节的影响，穗发芽常会导致常规稻6%的栽培面积损失，杂交稻损失更可高达20%[5]；有报道表明，仅面包小麦每年因穗发芽造成的损失就达10亿美元以上[6]。通过基因调控使作物种子进行适度休眠是减轻或避免穗发芽损失的最有效手段。因此，克隆调控水稻、小麦等重要作物种子休眠关键基因，阐明种子休眠的分子生理机制，挖掘其优异等位变异，对解决水稻等禾谷类作物穗发芽问题具有重要意义。

由于休眠是一个由多基因控制的复杂性状且受环境影响，因此难以进行准确的表型鉴定。虽然在水稻中已有100多个相关QTL位点被鉴定，但只有、/、/等几个基因被克隆[7～10]。而/和/等基因由于同时调控种皮颜色或株高等，而白米及矮化育种已广泛推广利用，使得利用这些基因改良水稻休眠性来解决穗发芽问题变的较为困难，生产上缺乏改良现有水稻穗发芽的关键基因资源。因此，挖掘和鉴定能在生产实践中改良水稻穗发芽且对其他农艺性状无不良影响的关键基因至关重要。

2022年12月5日，发表了题为“Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH transcription factors”的研究论文[11]。该研究通过构建可稳定检测到休眠位点的高密度染色体单片段代换系群体，从强休眠水稻品种Kasalath中克隆了一个控制水稻种子休眠的关键基因，并验证了其调控功能。进一步筛选SD6互作蛋白发现另一个转录因子ICE2也参与调控种子休眠。利用分子生物学、遗传学及生物化学等技术，揭示了两个拮抗的转录因子可通过调控ABA代谢和合成，调控体内ABA含量，实现种子休眠与萌发的切换(图1)。该研究还进一步解析了SD6-ICE2分子模块感应外界环境调控种子休眠的分子机制。有意思的是，利用基因编辑对多个易发生穗发芽的主栽水稻品种进行基因改良，同时在小麦品种科农199中对同源基因进行改良，结果表明，改良的水稻和小麦品种穗发芽均得到显著改善[11]。因此，这一研究成果对提升粮食品质和种业安全均具有重要现实意义。

由于种子休眠是一个受遗传和环境调控的极其复杂性状，使得克隆鉴定调控该性状基因变得十分困难。该研究从强休眠稻Kasalath和弱休眠现代水稻品种日本晴(Nipponbare)构建的染色体单片段代换系材料中选取一个具有强休眠表型的片段代换系Q27。该系以日本晴为背景，仅在水稻第六号染色体上有Kasalath片段渗入。利用Q27与日本晴杂交，在F2代中选取纯合稳定交换株系进行表型鉴定，并根据基因型和表型信息，利用图位克隆方法，将该基因定位到～20 kb区间，借助表达模式和基因序列信息，确定了候选基因。通过近等基因系、突变体、过表达株系等证实了该基因调控休眠的功能[11]。基因的克隆是利用单片段代换系和稳定纯合交换株系相结合定位策略解析复杂性状的成功范例。

图1 SD6-ICE2调控水稻种子休眠示意图

根据文献[11]修改绘制。

基因编码一个bHLH家族转录因子。通过筛选SD6互作蛋白，鉴定到另一水稻bHLH家族转录因子ICE2。进一步研究发现，SD6与ICE2均能直接靶向脱落酸(ABA)重要代谢基因启动子，通过分别识别启动子上G-box或E-box基序从而实现对同一靶基因的精准调控。另一方面，SD6和ICE2能拮抗性调控另一个转录因子bHLH048，间接调控ABA合成基因[11]。通过这种调控模式，SD6-ICE2分子模块实现了对水稻休眠和萌发的精准调控。这项研究发现，通过一对拮抗性bHLH转录因子直接或间接调控ABA代谢与合成，从而实现对种子休眠重要激素ABA的精准调控，进而影响种子休眠或萌发进程的全新调控模式。

温度是影响种子休眠长短的重要因素之一[12]。通常情况下，温暖环境可缩短种子休眠期，促进种子萌发，而低温使得种子更易维持休眠状态。研究发现，SD6-ICE2分子模块具备感知外界温度变化调控休眠的功能。在室温下，维持高表达，而基因表达受到抑制，从而促进种子的萌发。而在低温条件下，基因表达受到强烈抑制，基因表达上调，进而使种子维持休眠[11](图1)。该研究表明，水稻种子可以通过SD6-ICE2分子模块感知外界温度变化，动态调控种子休眠和萌发，使得种子能够适应季节性变化。

众所周知，种子休眠是重要的驯化性状。在野生环境下，种子需要休眠来避免不良环境，而在农业生产中，作物需要缩短休眠以利于播种后发芽的一致性。因此，进一步分析在水稻驯化过程中的规律发现，几乎所有野生稻都包含强休眠等位，而驯化栽培稻在所有亚群中都具有弱休眠等位变异[11]。观察发现，含有强休眠等位基因的遗传材料在田间表现出抗穗发芽特性。进一步利用基因编辑技术对目前易穗发芽主栽水稻品种天隆619、武运粳27和淮稻5号进行遗传改良，结果表明，不同背景水稻改良材料在大田下穗发芽均获得显著改善，且对其他农艺性状没有不良影响。有意思的是，对小麦基因的改良，也能显著改善小麦穗发芽。这表明基因在水稻和小麦中调控种子休眠功能是保守的，为水稻和小麦穗发芽改良提供了行之有效的策略[11]。

总之，现有栽培作物既要求适时整齐萌发，以提高生产效率和产量，又要保留一定的休眠，防止穗发芽，这对种子质量和粮食安全至关重要。因此，精准、高效平衡萌发与休眠对农业生产至关重要。该研究成功克隆了调控水稻休眠关键基因，并揭示了SD6和ICE2这对功能拮抗的bHLH转录因子协同ABA合成和代谢，从而调控休眠和萌发的转化。这一研究成果不仅揭示了种子休眠适应性的分子生理机制，也为培育抗穗发芽水稻和小麦提供了重要的基因资源，对保障粮食安全和提升粮食品质均具有重要意义。

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2022-12-26;

2022-12-26;

2022-12-26

金晶，博士，讲师，研究方向：小肽信号和养分高效利用遗传机制解析。E-mail：jingjin@scau.edu.cn

储成才，博士，教授，博士生导师，研究方向：植物养分高效利用分子机制解析和分子设计育种。E-mail：ccchu@scau.edu.cn

10.16288/j.yczz.22-420