Nature|基于BR和GA激素平衡实现半矮秆小麦产量的提升

<正>以半矮秆品种选育和利用为主要特征的“绿色革命”为解决世界粮食问题做出了重要贡献。在小麦中“绿色革命”的诞生在遗传上则主要归功于依赖于赤霉素信号途径的矮秆基因Rht-B1b或Rht-D1b的发现和利用。但后续研究发现,Rht-B1b或Rht-D1b在降低小麦株高的同时,对其粒重和氮素利用效率均具有不同程度的负效应,限制了“绿色革命”之后小麦单产水平的进一步提升。     

矮秆基因对小麦部分农艺性状的效应

以中国主要麦区的124份小麦品种为材料,利用分子标记和系谱分析相结合,对其按照所含的矮秆基因Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8进行分类,结合田间株高、旗叶长、小穗数和穗粒数以及室内苗期根系长度等农艺形状的调查,分析不同矮秆基因对小麦农艺性状的效应.结果显示:(1)参试的124份小麦品种(系)中23份含有Rht-B1b,7份含有Rht-D1b,22份含有Rht8基因,34份同时含有Rht-B1b和Rht8,16份同时含有Rht-D1b和Rht8,可分为6组.(2)Rht-B1b和Rht-D1b在降低株高的同时也缩短了旗叶的长度和苗期叶长,Rht8对株高的影响较弱,对旗叶和苗期叶长的影响也较小;3个矮秆基因对苗期根系长度、小穗数没有显著影响;Rht-D1b和Rht8显著增加穗粒数.研究表明,矮秆基因Rht8对小麦株高以及其他农艺性状的影响均较小,但能够显著增加穗粒数,是小麦矮化育种中比较理想的矮秆基因.     

青海育成小麦5个主效矮秆基因的分子检测

为系统了解青海小麦矮秆基因的分布特点,并进一步为青海高原小麦的株高育种提供优异种质资源。本研究利用5个矮秆基因的特异性分子标记对82份青海小麦品种资源中的矮秆基因进行了检测,并对不同矮秆基因的降秆效应进行了分析。结果表明:82份青海育成小麦品种中有49份材料至少含有一个矮秆基因,其中Rht-B1b的分布频率最高,约占参试材料的28.0%,其次是分布频率为23.2%的Rht8基因,而矮秆基因Rht-D1b、Rht5以及Rht12的分布频率分别为9.8%、13.4%、9.8%。在49份含有不同种类矮秆基因的材料中,其中16份材料同时含有2种及以上的矮秆基因,即RhtB1b和Rht8、Rht-D1b和Rht8、Rht-B1b和Rht5、Rht-D1b和Rht5、Rht8和Rht5、Rht-B1b和Rht12、Rht5和Rht12,并未发现同时含有矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的品种;2份材料分别含有3种矮秆基因,即Rht-B1b、Rht8、Rht12和Rht-B1b、Rht5、Rht8;其余31份材料仅含有1种矮秆基因。82份青海育成小麦材料中仅含有Rht-B1b的材料11份,平均株高为86.2 cm,其降秆效应为5.7%;只含有Rht-D1b的材料有5份,平均株高为84.9 cm,其降秆效应为7.1%;仅含有Rht8的材料有9份,平均株高为88.6 cm,其降秆效应为3.1%。因此,在青海育成小麦品种中,矮秆基因的降秆效应为Rht-D1bRht-B1bRht8。     

“绿色革命”新进展:赤霉素与氮营养双重调控的表观修饰助力水稻高产高效育种

以半矮秆育种为代表的“绿色革命”极大地提高了作物产量,但也带来氮营养利用效率降低的严重问题。“绿色革命”主要基于调控赤霉素的代谢和信号转导而实现。前期的研究发现,赤霉素信号转导关键因子DELLA蛋白通过调控GRF4而负调控氮素的吸收利用,为半矮秆品系氮利用效率低的问题提供了解决方案。最近的一项研究进一步揭示了GA信号途径与氮响应交叉互作的新机制。该研究发现水稻(Oryza sativa)NGR5是氮素调控分蘖数目的一个关键基因,其表达受氮诱导。通过招募PRC2,NGR5对D14和OsSPL14等分蘖抑制基因所在位点进行H3K27me3甲基化修饰,从而抑制其表达。而在半矮秆背景下超表达NGR5可以提高低氮水平下的水稻产量。NGR5同时也被发现为赤霉素受体GID1的一个新靶标,受到其负调控。该研究发现了调控赤霉素信号通路的新机制,并对高产高效的新一代“绿色革命”育种实践具有重要启示。     

“绿色革命”新进展:赤霉素与氮营养双重调控的表观修饰助力水稻高产高效育种

以半矮秆育种为代表的"绿色革命"极大地提高了作物产量,但也带来氮营养利用效率降低的严重问题。"绿色革命"主要基于调控赤霉素的代谢和信号转导而实现。前期的研究发现,赤霉素信号转导关键因子DELLA蛋白通过调控GRF4而负调控氮素的吸收利用,为半矮秆品系氮利用效率低的问题提供了解决方案。最近的一项研究进一步揭示了GA信号途径与氮响应交叉互作的新机制。该研究发现水稻(Oryza sativa) NGR5是氮素调控分蘖数目的一个关键基因,其表达受氮诱导。通过招募PRC2, NGR5对D14和OsSPL14等分蘖抑制基因所在位点进行H3K27me3甲基化修饰,从而抑制其表达。而在半矮秆背景下超表达NGR5可以提高低氮水平下的水稻产量。NGR5同时也被发现为赤霉素受体GID1的一个新靶标,受到其负调控。该研究发现了调控赤霉素信号通路的新机制,并对高产高效的新一代"绿色革命"育种实践具有重要启示。     

果树赤霉素代谢与信号途径研究进展

赤霉素作为5大植物激素之一,在果树的花芽分化、花序发育、开花坐果、果实的生长发育及植株的形态建成等方面扮演着重要的角色,但对果树赤霉素的分子生物学研究与其他大田作物相比差距较大。为了在果树生产中能更加合理有效地利用赤霉素调控果树花果发育,研究果树赤霉素的合成及其信号转导途径的分子调控机制十分必要。研究发现GA合成的关键酶KO、GA2ox及GA20ox的表达均与果树矮化呈负相关,而KS的含量则与植株高矮呈正相关,板栗雄性不育现象也与KO、KAO的表达量密切相关。GAMYB基因及LFY基因则在果树的成花诱导和雄蕊发育等生殖生长过程中发挥重要作用。DELLA蛋白在果树的GA信号途径中作为负调控因子可致使矮化植株形成,在果树的细胞周期循环过程、转录调控、花的形成、细胞的信号转导及许多生理过程中,DELLA蛋白泛素化降解均扮演着至关重要的角色。主要从果树赤霉素的合成及赤霉素的信号途径两大方面,着重对果树赤霉素合成过程中的关键酶基因及其定位、果树赤霉素信号途径的重要元件如赤霉素受体GID1、DELLA蛋白等进行了综述,以期为高效利用赤霉素调控果树生长发育提供重要的理论参考。     

2012年第1期《遗传》封面说明

株高是水稻重要的株型组成因子,水稻矮秆基因是株型改良的重要遗传基础,其大多参与植物内源激素赤霉素和油菜素内酯的合成或信号传导途径,一般具有"一因多效"的遗传性状表现,造成植株矮化的同时也会改变其他性状。通过对所构建的水稻突变体库进行大规模筛选,我们获得一个稳定遗传的矮秆突变体dtl1。与野生型相比,dtl1表现为     

转录因子BES1/BZR1调控植物生长发育及抗逆性

油菜素内酯(brassinosteroid, BR)是植物特有的甾体激素,在植物生长发育及逆境应答过程中起重要作用。转录因子BES1/BZR1(BRI1 EMS SUPPRESSOR 1/BRASSINAZOLE RESISTANT 1)是BR信号转导的核心成员,被BR信号激活后,结合到下游靶基因启动子区的E框(CANNTG)或BRRE元件(CGTGT/CG),调节靶基因表达。除介导BR信号,BES1/BZR1还参与脱落酸、赤霉素及光等信号转导途径,协同调控植物的生长发育。最新研究发现,BES1/BZR1还参与调控植物的抗逆性。本文对转录因子BES1/BZR1通过信号转导调控植物生长发育和抗逆性分子机制的新近研究进展进行了综述,以期为相关研究提供参考。     

紫花苜蓿赤霉素受体基因的克隆及表达分析

赤霉素受体(GID)是赤霉素信号转导途径的重要成员,直接影响着赤霉素对植物体效应的发挥。该研究利用同源克隆的方法,首次从紫花苜蓿中克隆得到1个赤霉素受体基因,命名为MsGID1b。序列分析发现,MsGID1b基因开放阅读框长度为1 053bp,编码350个氨基酸,推测其蛋白质分子量为39.839kD,是一个无信号肽和跨膜结构的亲水性蛋白。序列比对结果表明,MsGID1b基因与蒺藜苜蓿MtGID1b基因的核苷酸序列相似性为98%,氨基酸序列相似性为99%,且具有HSL家族典型的HGG和GXSXG保守结构域及GA、DELLA蛋白结合位点。荧光定量PCR分析表明,MsGID1b基因在紫花苜蓿各组织中的表达丰度依次为:根盛花初花茎叶荚果;经GA3、ABA、NaCl、PEG和黑暗诱导后该基因表达上调,尤其是在GA3诱导下,MsGID1b基因的表达量一直维持在较高水平,表明MsGID1b基因可能参与紫花苜蓿的抗逆调控。     

拟南芥油菜素内酯信号转导研究进展

油菜素内酯（brassinosteroid）信号首先被膜上的受体BRI1／BAK1复合体感知,然后在一系列蛋白参与下传递到核内,进一步调控下游基因的表达。本文综述了拟南芥中油菜素内酯信号转导研究的进展,并对今后的研究方向进行了探讨。     

植物矮化突变体的激素调控

作者主要从赤霉素（GA）、油菜素内酯（BR）和生长素（IAA）三方面介绍了植物矮化突变体的激素水平变化及其调控,其对其他与激素调控有关的植物筹化体研究进展作了介绍。     

巴西橡胶树赤霉素信号转导途径HbRGA1结构和功能分析

DELLA蛋白是赤霉素激素信号负调控因子,具有抑制植物生长发育的作用。解析其家族成员结构与功能将有助于揭示橡胶树DELLA蛋白家族成员调控橡胶树生长发育的机制。本研究从橡胶树热研73397叶片中克隆HbRGA1的cDNA全长序列。该基因长为2136 bp,含1839 bp的ORF,编码613个氨基酸。HbRGA1蛋白序列包含DELLA和GRAS保守结构域,与杨树、木薯和橡胶树DELLA基因相似性高达82.5%。qRT-PCR分析发现HbRGA1在橡胶树叶片中表达量高,在树皮和胶乳中表达量极低。叶片中HbRGA1表达量受喷施赤霉素和脱落酸等诱导显著上调。本研究表明HbRGA1与橡胶树赤霉素等激素信号密切相关,为深入研究其在橡胶树生长发育中的结构和功能打下良好基础。     

油菜素内酯调控作物农艺性状和非生物胁迫响应的研究进展

植物对不利环境的适应依赖于将外部胁迫信号传递到内部信号通路中,在进化过程中形成一系列的胁迫响应机制。其中,油菜素内酯(brassinosteroids, BRs)是一种类固醇激素,广泛参与植物生长发育和逆境响应过程。BRs被包括受体BRI1和共受体BAK1在内的细胞表面受体感知,继而触发信号级联,导致蛋白激酶BIN2的抑制和转录因子BES1/BZR1的激活,BES1/BZR1可直接调控数千个下游响应基因的表达。在模式植物拟南芥中的研究表明,BR的生物合成和信号转导通路成员,特别是BIN2和其下游的转录因子BES1/BZR1,可以被各种环境因子广泛地调节。本文系统总结了BR相关的最新研究进展,对BR的生物合成和信号转导是如何被复杂的环境因子所调节,以及BR与环境因子如何协同调控作物重要农艺性状、冷胁迫和盐胁迫的响应进行了综述。     

水稻矮秆突变体dtl1的分离鉴定及其突变基因的精细定位

文章通过对所构建的水稻突变体库进行大规模筛选,获得一个稳定遗传的矮秆突变体,与野生型日本晴相比,该突变体表现为植株矮化、叶片卷曲、分蘖减少和不育等性状,命名为dtl1(dwarf and twist leaf 1)。dtl1属于nl型矮秆,激素检测表明,矮秆性状与赤霉素和油菜素内酯无关。遗传分析显示,突变性状受单一隐性核基因控制。利用dtl1与籼稻品种Taichung Native 1杂交构建F2群体,将该突变基因DTL1定位于水稻第10染色体长臂2个SSR标记RM25923和RM6673之间约70.4 kb区域内,并与InDel标记Z10-29共分离,在该区域预测有13个候选基因,但未见调控水稻株高相关基因的报道,因此,认为DTL1基因是一个新的控制水稻株高的基因。     

大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产

密植是提高作物单位面积产量、促进粮食增产的重要途径之一。叶夹角是影响玉米(Zea mays)密植的关键因子。中国农业大学田丰课题组最近克隆了2个调控玉米叶夹角的数量性状位点(QTL)——UPA1和UPA2, 揭示了这2个位点的功能基因(brd1和ZmRAVL1)通过油菜素内酯(BR)信号通路调控叶夹角。UPA2位于ZmRAVL1上游9.5 kb, 可与DRL1蛋白结合。另一个影响玉米叶夹角的蛋白LG1可以激活ZmRAVL1的表达; DRL1蛋白与LG1蛋白直接互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活表达。玉米祖先种大刍草(teosinte)的UPA2位点序列与DRL1蛋白结合能力更强, 导致大刍草ZmRAVL1的表达受到更强的抑制, 下调表达的ZmRAVL1进一步使下游基因brd1的表达下调, 进而降低叶环区的内源BR水平, 导致叶夹角变小。将大刍草的UPA2等位基因导入到玉米中或对玉米中ZmRAVL1进行基因编辑, 在密植条件下均可显著提高玉米产量。上述发现为高产玉米品种的分子育种改良提供了重要理论基础和基因资源。     

甘蔗节间伸长过程赤霉素生物合成关键基因的表达及相关植物激素动态变化

以甘蔗(Saccharum officinarum)优良品种桂糖42号(GT42)为研究材料, 分别于未伸长期(9-10叶龄以前) (Ls1)、伸长初期(12-13叶龄) (Ls2)和伸长盛期(15-16叶龄) (Ls3)取甘蔗第2片真叶(自顶部起)对应的节间组织, 测定其赤霉素(GA)、生长素(IAA)、油菜素甾醇(BR)、细胞分裂素(CTK)、乙烯(ETH)和脱落酸(ABA)的含量, 并通过实时荧光定量PCR (qRT-PCR)分析赤霉素合成途径关键基因GA₂₀氧化酶基因(GA20-Oxidase1)、赤霉素受体基因(GID1)和DELLA蛋白编码基因(GAI)的差异表达。结果表明, 在甘蔗伸长期间, GA和IAA含量呈现上升趋势, CTK和ABA含量呈下降趋势, ETH含量先上升后下降, BR含量则变化不明显; GA20-Oxidase1和GID1的表达呈上升趋势, 而GAI的表达则呈下降趋势, 这与相关植物激素的变化基本一致。综上, 甘蔗节间伸长过程主要与GA和IAA相关, 其次为CTK和ABA, 而ETH受到IAA的调控影响节间伸长; 植物激素间通过相互作用调控GA20-Oxidase1、GID1和GAI的表达, 影响GA含量和GA的信号转导过程, 进而影响甘蔗节间的伸长。该研究揭示了甘蔗节间伸长过程中赤霉素生物合成途径和信号转导关键基因的差异表达及植物激素含量的动态变化规律。     

棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4启动子的克隆及序列分析

棉纤维是纺织行业的重要原材料。赤霉素能够促进棉纤维的生长发育,而DELLA蛋白又是赤霉素信号转导通路中的关键调控因子,因此研究棉花DELLA蛋白基因表达的调控模式,对阐明棉纤维生长发育的分子生物学机理具有重要意义。本研究根据两个棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4序列设计特异引物,以陆地棉新陆早13号的基因组DNA为模板,用基因组步移法克隆了棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4的启动子。对两个启动子进行序列分析表明,这两个启动子均具有真核生物典型的核心启动子区,同时也都具有一个或多个光响应元件和赤霉素响应元件,说明这两个基因可能受到光信号和赤霉素信号的调控,这与其它植物中DELLA蛋白的表达模式是一致的。此外,这两个启动子还具有各种转录调控相关的顺式作用元件,比如其它激素类的响应元件和逆境胁迫响应元件,说明棉花中DELLA蛋白基因可能在响应其它激素信号以及逆境胁迫中也起到一定的作用。     

小麦矮秆圆粒突变体的鉴定与分析

小麦的子粒形态性状和株高与小麦的产量密切相关,是育种的重要选择目标性状。本研究通过对小麦品种偃展1号(YZ1)EMS突变体W98的农艺性状的调查与分析,发现W98的株高只有24 cm,而野生型YZ1的株高是73 cm。突变体株高的变异是由每个节间长度变短造成的,而非节间数目减少所致。相关分析表明矮秆与圆粒性状呈显著相关。利用高秆长粒的墨西哥品种10th12与突变体W98配制杂交组合,获得1544个F2∶3单株(株系),通过对分离群体的遗传分析,发现圆粒性状是由1对不完全显性基因控制的。赤霉素(GA)与油菜素内酯(BR)激素敏感性试验表明:野生型和突变体都对GA处理不敏感;不同浓度BR的展叶试验表明野生型对BR不敏感,而突变体W98对BR敏感。     

拟南芥油菜素内酯信号转导研究进展

油菜素内酯(brassinosteroid)信号首先被膜上的受体BRI1/BAK1复合体感知, 然后在一系列蛋白参与下传递到核内, 进一步调控下游基因的表达。本文综述了拟南芥中油菜素内酯信号转导研究的进展,并对今后的研究方向进行了探讨。     

甘蓝型油菜的BR响应及BnBZL2基因的功能分析

对甘蓝型油菜(Brassica napus L.)与拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)中保守的油菜素甾醇(Brassinosteroids,BR)信号相关基因进行对比分析,并以甘蓝型油菜品种‘沪油15’为材料,对BR信号通路相关同源基因进行了组织表达分析。结果显示,BR合成基因与信号组分在花和幼嫩种子中表达量更高;低浓度BR处理可以促进幼苗根的生长,高浓度BR处理则起抑制作用; BR合成抑制剂(Brassinozole,BRZ)处理可抑制黑暗条件下幼苗下胚轴的伸长; BR处理可以降低BR合成基因的表达水平,而BRZ处理则相反,表明甘蓝型油菜中BR信号增加能反馈抑制BR的合成。烟草(Nicotiana tabacum L.)瞬时表达实验结果发现,与拟南芥BZR1基因同源的甘蓝型油菜BnBZL2编码蛋白定位在细胞质和细胞核中,BR处理可增加BnBZL2的核定位。蛋白质免疫印迹检测结果显示,BR处理可增加去磷酸化BnBZL2的比例。本研究进一步模拟了拟南芥bzr1-1D功能获得性突变体对BnBZL2蛋白进行点突变(BnBZL2*),并构建载体转化拟南芥,黑暗条件下转基因植株幼苗对BRZ处理不敏感,提示BnBZL2*可提高转基因植株的BR信号水平。本研究结果表明甘蓝型油菜中存在与拟南芥相似且保守的BR信号通路和调控机制。