万建民院士团队：发现独脚金内酯通过调控糖分配塑造水稻株型的分子机制

在这项研究中，研究人员对水稻OsSHR1基因进行功能分析，发现其是SL信号的正响应因子，受OsSPL3/12/14激活转录，并能够激活下游糖转运蛋白OsSWEET2a/4/16的表达，从而改变糖在水稻组织中的分配：减少分蘖芽中的葡萄糖和果糖积累，减少根中的果糖和蔗糖积累，最终导致分蘖和不定根减少，根长增加。因此，本研究解析了一条由OsSPL14–OsSHR1–OsSWEET16组成的主要信号通路，揭示了独脚金内酯通过调控糖分配协调水稻地上部分蘖和地下部根系发育的机制。

1.OsSHR1是SL信号通路中调控水稻分蘖和根系发育的关键组分

SHORT-ROOT（SHR）基因最初在拟南芥中被发现，编码一个GRAS家族转录因子，是根径向模式建成和干细胞特化的关键调节因子（Benfey et al., 1993; Di Laurenzio et al., 1996; Helariutta et al., 2000; Nakajima et al., 2001）。在水稻中，SHR同源基因同样调控根分生组织发育。本团队之前的研究发现，OsSHR1受到ABA和GA的拮抗调控，两者通过调节APC/CTE（E3泛素连接酶）介导的OsSHR1蛋白降解来调控水稻根长（Lin et al., 2020），但OsSHR1与独脚金内酯信号的关联尚未被探索。本研究发现，OsSHR1基因除了调控根长外，还影响不定根数和分蘖数。与野生型水稻相比，OsSHR1-Ri（RNA干扰）植株表现出更短的根、更多的不定根和分蘖；反之，OsSHR1-mD-His（蛋白稳定突变体）植株则具有更长的根、更少的不定根和分蘖。这一结果表明，OsSHR1同时参与水稻分蘖和根系发育的调控。

这些表型与独脚金内酯的功能相似，暗示OsSHR1可能参与独脚金内酯信号通路。外源独脚金内酯GR245DS处理能够显著促进野生型、OsSHR1-mD-His以及独脚金内酯合成突变体d27植株的根伸长并抑制不定根和分蘖的形成，但对于OsSHR1-Ri和独脚金内酯信号突变体d53的效果明显减弱，表明OsSHR1在独脚金内酯信号通路中发挥关键作用。

2.OsSPL3/12/14结合OsSHR1的启动子并激活其转录；OsSHR1结合OsSWEET2a/4/16的启动子并激活其转录

为探究OsSHR1如何被整合到独脚金内酯信号通路中，研究人员分析OsSHR1的启动子，发现其含有6个SPL转录因子识别的GTAC基序。通过酵母单杂交、凝胶阻滞分析（EMSA）等实验证明OsSPL3/12/14可结合OsSHR1启动子的GTAC基序，并激活其转录。免疫共沉淀、瞬时荧光素酶活性检测等实验证明独脚金内酯信号通路中的抑制子D53不仅能够与OsSPL14互作，还能与OsSPL3和OsSPL12相互作用，抑制这些SPL蛋白对OsSHR1转录的激活作用。

3.SL通过OsSPL14-OsSHR1-OsSWEET16通路调控分蘖与根系发育

为解析OsSPL3/12/14、OsSHR1和OsSWEET2a/4/16之间的遗传关系，研究人员构建了一系列遗传材料。表型分析显示，osspl14突变体表现出分蘖和不定根增多、主根变短的表型，而OsSHR1-mD-His/osspl14植株的分蘖数恢复至接近野生型的水平，且表现出与OsSHR1-mD-His类似的根系表型：较长的根、较少的不定根。相反，OsSPL14-OE植株表现出分蘖和不定根减少、主根变长的表型，但OsSHR1-Ri/OsSPL14-OE植株则呈现出与OsSHR1-Ri类似的分蘖和不定根增多、主根变短的表型。这些结果从遗传学上证实，OsSHR1位于OsSPL14的下游参与水稻分蘖和根系发育的调控。此外，OsSHR1与OsSPL3/12也表现出类似的遗传关系。

4.SL通过OsSPL14-OsSHR1-OsSWEET16通路调控糖分配，控制根系和分蘖发育

为明确这些SWEET蛋白的糖转运功能，研究人员开展了亚细胞定位和酵母互补实验。结果显示，OsSWEET2a和OsSWEET4定位于质膜和液泡膜，而OsSWEET16仅定位于液泡膜。酵母互补实验表明，OsSWEET2a能高效转运果糖，OsSWEET4和OsSWEET16则能同时转运葡萄糖、果糖和蔗糖。

中国农业科学院作物科学研究所博士生冯淼、罗文凡，博士后罗胜及南京农业大学博士生缪荣为论文共同第一作者。中国农业科学院作物科学研究所万建民院士、林启冰研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、中国农业科学院创新计划、中央公益性科研院所基本科研业务费专项和国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70374