近日，农学院、未来作物精准育种基础研究卓越中心、岭南现代农业科学与技术广东省实验室刘耀光院士和谢先荣副研究员团队在期刊Journal of Integrative Plant Biology发表了题为“The OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1 regulatory pathway promotes grain length in rice”的研究论文，揭示了OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1模块调控水稻粒长的分子机制，并利用基因编辑技术对OsPLATZ1启动子进行人为改造，探索了利用该基因改善水稻稻米外观品质和产量的应用前景。
水稻籽粒的粒重是影响产量的重要因素之一，其主要决定于籽粒的粒型，包括粒长、粒宽和粒厚，并且对稻米的外观品质有着直接的影响。目前研究已鉴定出多个控制粒型的关键基因，例如OsGRF4/GS3、DEP1、GW8、OsMKKK10等，它们参与了转录因子调控、G蛋白途径、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、泛素-蛋白酶体、激素等多个通路，但这些因子之间如何协同整合共同调控粒型仍有待进一步深入解析。
PLATZ（Plant AT-rich sequence and Zinc-binding）是一类植物特有的转录因子，通过其锌指结构域结合DNA基序调控基因表达。在前期的研究中（Wang et al., 2019; Zhou et al., 2019），OsPLATZ1被报道是一个控制每穗粒数和粒长的基因（命名为GL6/SG6），其功能缺失导致每穗粒数增加、但粒长显著变短，然而其在粒型调控网络中的功能有待进一步研究。在该研究中，研究团队证实了OsPLATZ1是一个具有弱转录激活功能的转录因子，可以通过结合“TGCGCA”基序。电泳迁移率实验﹑ChIP-qPCR和dual-LUC等实验表明，OsPLATZ1可靶向激活G蛋白γ亚基编码基因DEP1的表达，从而调控水稻粒长。以OsPLATZ1为诱饵筛选到其互作蛋白OsGRF4，双分子萤光互补和蛋白pull-down实验进一步确认了两者的物理互作关系。随后，电泳迁移率实验和dual-LUC等实验表明，OsGRF4可强化OsPLATZ1对其下游靶基因DEP1启动子的结合，并促进其转录活性（图1）。
图1 OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1模块调控水稻粒长的工作模型
由于OsPLATZ1在控制每穗粒数和粒长中的功能相反，存在“此增彼减”的问题，研究团队进一步提出了通过微调OsPLATZ1的表达来平衡其调控每穗粒数和粒型的功能。利用多基因编辑技术对OsPLATZ1启动子进行编辑，以团队培育的水稻新品种华光丝苗（HG）为改良对象，获得了具有不同删除和插入事件的突变株系，其中株系CRR-3的籽粒长宽比显著增加，并且整体产量也所有提高（图2），说明其在分子育种中具有一定的应用潜力。
图2 编辑OsPLATZ1启动子改良水稻粒型和产量
综上所述，该研究揭示了OsPLATZ1-OsGRF4-DEP1模块调控水稻粒长的分子机制，并且提出了一种利用基因编辑调控OsPLATZ1启动子区改良粒型和产量的途径，丰富了水稻粒型的分子调控网络，为高产优质水稻育种提供了分子育种靶点。
农学院博士后陈水福为第一作者，刘耀光院士和谢先荣副研究员为论文的通讯作者，陈乐天教授、陈远玲副研究员等也参与了该项研究。研究得到了国家自然科学基金项目、国家资助博士后研究人员计划和博士后科学基金面上项目的资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70009
文图/农学院
