项目文章 | 恭喜上海交通大学科学家团队发现水稻均匀生长新机制

基本信息

发表期刊：New Phytologist

影响因子：7.299

作者单位：上海交通大学

文章中酵母文库实验由欧易生物完成。

研究背景

植株株型可以分为两种，一种是以玉米和高粱为代表的，顶端优势明显，侧枝很少；第二种是以小麦和水稻为代表的，分蘖多，不具有明显的顶端优势，分蘖枝与主枝在成熟时没有明显差异。主枝与分蘖枝的均匀生长至关重要，不仅决定了结实穗数和产量，还有利于同步成熟和收割。

DWT1 是一个已知的控制水稻均匀生长的关键调控因子，DWT1 在分蘖组织中高表达以维持均匀生长，DWT1 突变会导致主枝优势。但 DWT1 如何控制水稻的均匀生长机制未知。

研究内容

本研究通过酵母双杂交文库筛选，鉴定到一个与 DWT1 互作的核蛋白 OsPIP5K1，该蛋白可以部分挽救 dwt1 突变导致的主枝优势，促进均匀生长。同时还通过酵母双杂交实验，发现 DWT1 的同源蛋白 DWL2 也可以与 OsPIP5K1 互作，DWL2 同样可以调控水稻的株型。

研究结果

1. DWT1 在细胞核中与 OsPIP5K1 互作

为了筛选调控水稻株型的蛋白，以 DWT1 为诱饵进行了酵母双杂交文库的筛选，鉴定到一个 PIP5K 蛋白家族成员 OsPIP5K1，并通过 Bi-FC 和 Co-IP （下图 d 和 e）证实了两者之间存在直接的互作关系；进一步的酵母互作实验显示，DWT1 蛋白是通过 C 端与 OsPIP5K1 蛋白的 N 端 MORN motif 发生的互作（下图 c）。DWT1 和 OsPIP5K1 共定位于细胞核中，并且结果表明 OsPIP5K1 的细胞核定位也是由 N 端 MORN motif 所介导的。

2. 细胞核中 PI(4,5)P2 与 DWT1 功能相关

细胞核蛋白可与磷酸肌醇（PI）或其激酶互作，共同参与基因转录调控、mRNA 转录后修饰和染色质的重塑。而 PI(4,5)P2 是磷酸肌醇信号传导通路中一个重要成分，充当关键的次级信使。结果显示，DWT1 与 PI(4,5)P2 共定位于细胞核中（下图），说明 PI(4,5)P2 可能影响 DWT1 的功能。PI(4,5)P2 是 OsPIP5K 的产物，OsPIP5K 通过催化 PI4P 产生 PI(4,5)P2。

图片说明：P15Y、YFP标记的是 PI(4,5)P2 定位信号，CFP 标记的是 DWT1 定位信号。

3. OsPIP5K1 突变促进 dwt1 表型

RT-PCR 显示 OsPIP5K1 主要在主枝和分蘖枝的幼穗中表达，而在成熟株的根茎叶中表达量较低。与野生株相比，ospip5k1 突变植株矮小、节间距变短（下左图），表明 OsPIP5K1 参与水稻茎的伸长。而双突变体 dwt1 ospip5k1 矮化表型更为明显（下右图）。与具有顶端优势的dwt1 单基因突变不同，dwt1 ospip5k1 双突变主枝与分蘖没有明显差别。同时，双突变体表现出更短的节间距、主枝和侧枝的穗形均变小。在 dwt1 突变体中过表达 OsPIP5K1 可以部分挽救dwt1 引起的发育缺陷：侧枝节间距变长、穗形大小恢复至与野生型相当。以上结果表明OsPOP5K1 不仅参与水稻茎的伸长，还影响穗的发育。

4. DWT1 与 DWL2 功能类似

过表达 OsPIP5K1 可以部分挽救 dwt1 引起的发育缺陷，表明在水稻存在 DWT1 的代偿途径。酵母双杂交实验证实，DWT1 的同源基因 DWL2 也可以与 OsPIP5K1 直接互作（下图 a），DWL2 也与 OsPIP5K1 共定位于细胞核内（下图 b）。与 dwt1 突变体相比，dwt1 dwl2 双突变体矮化更为明显，主枝与侧枝差异不明显，这与 dwt1 ospip5k1 双突变体类似。同样，dwt1 dwl2 双突变体的穗形也较小。以上结果表明 DWT1 和 DWL2 具有类似的调节茎伸长和穗发育的功能。

研究结论

基于以上结果，本研究发现 DWT1 和 OsPIP5K1 可以在细胞核内互作，导致细胞核内 OsPIP5K1 和其产物 PI(4,5)P2 的累积。Ospip5k1 突变可以加剧 dwt1 引起的矮化，但可以使主枝与分蘖枝均匀生长。DWT1 的同源基因 DWL2 同样可以与 OsPIP5K1 互作，起到与 DWT1 类似的调控水稻均匀生长的作用。OsPIP5K1 通过与 DWT1 / DWL2 协同作用，通过调控磷酸肌醇信号传导通路，进而控制水稻的均匀生长。

参考文献

Fang F, Ye S, Tang J, et al. DWT1/DWL2 act together with OsPIP5K1 to regulate plant uniform growth in rice. New Phytol 2020; 225(3): 1234-1246.