New Phytologist | 湖南农业大学张振华课题组揭示水稻单糖转运蛋白OsSTP15敲除促进分蘖、提高产量的机制

碳水化合物的源库转运分配是决定水稻产量的关键，该过程强烈依赖糖转运蛋白。植物中有三大类糖转运蛋白：蔗糖转运蛋白SUT、糖外排转运蛋白SWEET和单糖转运蛋白MST，其中MST家族庞大但功能研究尚缺乏。植物分枝的形成受激素及糖的协同调控，但不同物种中调控机制存在差异。近年来，有研究报道蔗糖可以拮抗SL调控水稻分蘖，但其他激素在糖促进分蘖中的作用尚未被探讨。

近日，湖南农业大学资源学院张振华教授团队在New Phytologist在线发表了题为“Knockout of the sugar transporter OsSTP15 enhances grain yield by improving tiller number due to increased sugar content in the shoot base of rice (Oryza sativa L.)”的研究论文，揭示了单糖转运蛋白OsSTP15的转运功能，并阐明了其敲除提高茎基部糖含量主要通过细胞分裂素信号途径促进水稻分蘖的分子机制。

OsSTP15是MST家族STP亚家族的成员，在水稻幼苗的地上部分维管组织及幼嫩分生组织中特异性表达，定位于水稻原生质体细胞膜。敲除OsSTP15可提高水稻分蘖数及产量20%以上（图1）。

图1. 野生型及OsSTP15突变体株型及单株穗粒表型

研究人员利用酵母、爪蟾卵细胞、水稻原生质体及烟草叶片瞬时表达等实验明确OsSTP15是高亲和的葡萄糖外排转运蛋白（图2）。敲除OsSTP15抑制葡萄糖从胞质的外排，提高叶片中葡萄含量，促进叶片中蔗糖及6-磷酸海藻糖的合成，并促进光合产物由源叶向茎基部的转运。

图2. OsSTP15具有葡萄糖外排转运功能

转录组及激素代谢组分析发现，OsSTP15敲除导致CK合成及信号途径相关基因表达上调，且活性CK的含量提高。而IAA与SL的含量没有有规律且显著的变化。此外添加实验表明，外源糖添加可显著促进水稻分蘖，而CK合成抑制剂处理可显著抑制糖对水稻分蘖的促进作用。

OsSTP15 敲除抑制葡萄糖外排，促进光合产物由源叶向茎基部的转运，导致茎基部葡萄糖、蔗糖、6-磷酸海藻糖含量提高，进而通过增强CK合成及CK信号途径促进水稻分蘖并提高产量（图3）。

图3.OsSTP15敲除促进水稻分蘖的作用机制模式图

湖南农业大学资源学院博士后李明娟及博士生李虹烨为该论文的共同第一作者，张振华教授为本文的通讯作者。联合国粮农组织亚太区域办事处首席技术官周波和国际水稻所Ismail教授对本研究提供的宝贵指导；中国科学院植物生理生态研究所植物分子科学卓越研究中心龚继明研究员在爪蟾卵母细试验提供的帮助。中国农业大学张敬波教授、河南大学龙雨教授、湖南科技大学彭佳师教授、湖南农业大学孟栓教授等在实验技术及论文修改方面提供的宝贵意见。该研究受湖南省自然科学基金、湖南省科技创新计划、湖南省重点研发项目、国家现代农业产业技术体系、国家重点研发项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/share/author/3NBG9RYTXHRJYVSTTWGH?target=10.1111/nph.19411