生物钟调节动植物的生长发育,但人们对昼夜节律在作物生产中的作用知之甚少。水稻籽粒产量在很大程度上取决于分蘖,分蘖是由生理和遗传因素介导的。近日,南京农业大学的研究人员在 Plant Cell(IF:9.618)上发表了一篇名为“Rice Circadian Clock Regulates Tiller Growth andPanicle Development Through Strigolactone Signaling and Sugar Sensing”的文章,该文章报道了一个调节机制,包括生物钟,糖和独角金内酯途径来调节水稻分蘖芽和穗的发育。
为了探讨OsCCA1在独角金内酯生物合成中的作用,研究人员测量了epi-5DS,一种内源性的甾体内酯,在水稻根系分泌物中发现,OsCCA1突变体植株的epi-5DS含量降低。CHIP-qPCR分析显示OsCCA1与D14或D53的启动子结合。D14和OsCCA1的表达节律相似,在对照植物分蘖芽中的峰值出现在前期,而D14在OsCCA1-OE系中上调,但在OsCCA1-AS8系和OsCCA1突变体中受到抑制。然而,对照组中D53的表达没有明显的节律性,在OsCCA1-OE系中D53表达略有增加,在OsCCA1-AS8系和OsCCA1突变体中下降。这可能表明D53由OsCCA1间接调节或由OsCCA1和D14共同调节。遗传数据表明D14作用于OsCCA1下游。这些数据表明,OsCCA1通过调控OsTB1和D14的表达来抑制分蘖芽的生长。
图1:OsCCA1影响司他内酯途径,并作用于OsTB1和D14的上游
研究人员假设糖调节OsCCA1影响分蘖芽生长的表达,为了验证这个假设,用糖诱导实验检测了糖是否调节OsCCA1的表达。结果表明,蔗糖是OsCCA1在根中表达的负调控因子。然而,在幼苗芽中,蔗糖对OsCCA1表达的影响是积极的,这与拟南芥芽中的发现一致。
图2:糖抑制OsCCA1在根中的表达
结果表明,尽管观察到拟南芥(真双子叶植物)和水稻(单子叶植物)在1.3亿至2亿年前发生了分化,但生物钟在调节分枝中的作用是保守的。此外,植物昼夜节律时钟可以有效地感知白天的长度和光照的强度,并整合糖信号来调节分枝/分蘖和植物结构。分蘖数和穗大小直接影响谷物作物产量。因此,了解生物钟如何将外部信号与遗传途径结合起来,以平衡分蘖芽和穗的发育,将有助于我们设计改善水稻和其他谷类作物结构和产量的策略。
参考文献:
【1】Bass,J.,and Takahashi,J.S.(2010).Circadian integration of metabolism andenergetics.Science 330,1349-1354.
【2】Clough,S.J.,and Bent,A.F.(1998).Floral dip: a simplified method for Agrobacterium-mediated transformation ofArabidopsis thaliana. Plant J 16, 735-743.
【3】Greenham,K.,and McClung,C.R.(2015).Integrating circadian dynamics withphysiological processes in plants. Nat Rev Genet 16, 598-610.
文献链接:https://doi.org/10.1105/tpc.20.00289