東北地理所在OsWRKY53調(diào)控水稻株型和粒型方面取得新進展
水稻的株型和粒型是影響產(chǎn)量的重要因素，油菜素內(nèi)酯（BR）和MAPK信號在調(diào)控水稻株型及粒型上都具有重要作用。目前，已有多個BR信號（OsGSK2-OsBZR1）和MAPK信號（OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6）途徑的重要組分被鑒定出來，然而，仍有很多相關(guān)的科學(xué)問題有待解決和研究，如OsGSK2介導(dǎo)的BR信號途徑是否還有新的組分？OsWRKY53是否作為OsMAPK6下游靶基因參與調(diào)控水稻株型和粒型？BR與MAPK信號之間是否存在信號交流？
近日，東北地理所卜慶云團隊在國際學(xué)術(shù)期刊The Plant Cell上在線發(fā)表了題為“WRKY53 Integrates Classic Brassinosteroid Signaling and the Mitogen-Activated Protein Kinase Pathway to Regulate Rice Architecture and Seed Size”的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)水稻轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY53能夠作為BR和MAPK信號的信號樞紐參與調(diào)控水稻株型和粒型。
該團隊在前期的工作中發(fā)現(xiàn)，OsWRKY53正調(diào)控水稻粒型和葉傾角的大小，是水稻BR信號的正調(diào)控因子；OsMAPK6能夠磷酸化OsWRKY53，而且OsMAPK6對OsWRKY53的磷酸化能夠增強OsWRKY53的生物功能。在此基礎(chǔ)上，通過分析OsWRKY53與OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6組分的雙突變體表型，在遺傳學(xué)上證明OsWRKY53是MAPK信號的底物，能夠參與調(diào)控水稻葉傾角和粒型。
為解析OsWRKY53在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用位點和作用機制，我們發(fā)現(xiàn)OsWRKY53能夠與BR信號負調(diào)控因子OsGSK2結(jié)合，且OsGSK2通過磷酸化OsWRKY53降低其蛋白穩(wěn)定性；在OsGSK2-RNAi (Gi)轉(zhuǎn)基因水稻中敲除OsWRKY53基因后，能很大程度的恢復(fù)Gi的表型（BR信號增強、葉夾角增大、粒型增大）至野生型水平；轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，OsWRKY53與OsGSK2具有相反的調(diào)控模式，wrky53能不同程度的恢復(fù)Gi調(diào)控的基因的表達。以上結(jié)果表明，在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，OsWRKY53是OsGSK2的靶基因之一。
同時，OsWRKY53與OsBZR1能夠相互結(jié)合，二者協(xié)同抑制BR生物合成基因OsD2的表達；在Osbzr1-D中敲除OsWRKY53基因后，并不影響Osbzr1-D BR信號增強的表型；而在Osbzr1-D中過量表達OsWRKY53基因后，雙突變體表現(xiàn)出更加顯著的BR信號增強的表型，表明在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，OsWRKY53與OsBZR1以一種平行的關(guān)系，協(xié)同調(diào)控水稻BR信號反應(yīng)。
以上研究證明OsWRKY53是OsGSK2和OsMAPK6的共同磷酸化底物，但是OsWRKY53的功能發(fā)揮是有組織特異性的，例如，在粒型的調(diào)控上，OsGSK2和OsWRKY53主要調(diào)控細胞大小，微效調(diào)控細胞數(shù)目；而OsMAPK6主要調(diào)控細胞數(shù)目，微效調(diào)控細胞大小。
另外，我們還發(fā)現(xiàn)OsGSK2與OsMAPKK4能夠相互結(jié)合，OsGSK2通過磷酸化OsMAPKK4降低其激酶活性，負向調(diào)控水稻粒型，然而，二者之間的遺傳學(xué)關(guān)系仍有待于進一步研究。
綜上所述，該研究揭示OsWRKY53是OsGSK2和OsMAPK6的共同磷酸化底物，能介導(dǎo)水稻BR信號與MAPK信號之間的交叉對話，不僅豐富了BR信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，也擴展了MAPK信號調(diào)控模式。該研究將為篩選水稻高產(chǎn)新株型提供理論依據(jù)，具有重要的指導(dǎo)和參考意義。
中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大豆分子設(shè)計育種重點實驗室田曉杰助理研究員為論文第一作者，卜慶云研究員為通訊作者。河北師范大學(xué)湯文強教授、東北林業(yè)大學(xué)管清杰副教授也參與了該項目的研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koab137
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