PBJ | 中国农业大学李自超团队张战营/张洪亮挖掘水稻分蘖调控基因并解析其土壤钾适应性机制

责编 | 王一

近日，中国农业大学农学院李自超团队张战营/张洪亮在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“Natural variation in the Tn1a promoter regulates tillering in rice”的研究论文。利用水稻不同生长阶段分蘖数的全基因组关联分析，该研究挖掘到一个新的水稻分蘖调控基因Tiller number 1a (Tn1a)，发现并解析了其土壤环境适应性的遗传基础，评估了该基因的优异变异，开发了分子标记辅助育种设计与选择。

水稻的分蘖力是水稻穗数的基础，是影响产量的重要性状。研究团队在前期利用377份水稻种质材料在不同时期的分蘖数进行全基因组关联（GWAS）分析，在插秧后30天、45天和抽穗期均能鉴定到一个QTL位点qTn1.7 （Ma et.al，2020）。在此基础上，本研究结合QTL位点内注释基因的生物信息、单倍型及表达分析确定了其候选基因Tn1a。该基因编码一个包含C2结构域的膜蛋白，负向调控水稻分蘖的形成。单倍型和遗传分析表明，Tn1a启动子区272 bp indel参与调控水稻的分蘖表型变异。

此外，为了解析Tn1a的作用机制，作者通过鉴定出一个Tn1a的互作蛋白OsCCC1。OsCCC1编码一个K+/Cl-共转运蛋白，该蛋白参与了水稻分蘖的正向调控 (Chen et al., 2016)。Tn1a可能通过与OsCCC1的蛋白互作来改变细胞内K+含量并抑制分蘖芽伸长。接下来，作者注意到由于Tn1a通过改变细胞内K+含量来调节水稻的生长发育，并且前期的单倍型分析显示，272 bp缺失和272 bp插入分别主要出现在籼稻和粳稻亚群中，而粳稻亚群主要在中国北方种植，籼稻亚群主要在南方种植，研究团队继续探究了Tn1a在两个水稻亚群中的等位基因分布与其环境适应性的关系。因此，通过比较不同地区Tn1a等位基因频率和土壤K+含量发现，在籼稻亚群中，华南地区Tn1a+272 bp等位基因的比例（28%，12/43）显著高于华东地区（10%，3/31）和西南地区（6%，2/33），与土壤K+含量呈负相关，华南地区的土壤K+含量显著低于其他两个地区。粳稻亚群也得到了类似的结果，华中地区Tn1a+272 bp等位基因的比例（90%，9/10）高于东北地区（79%，15/19），但是其土壤K+含量低于东北地区。这些发现表明，Tn1a+272 bp等位基因可能促进了水稻品种对贫钾土壤的适应性。

综上，该研究鉴定了新的水稻分蘖数调控基因Tn1a，并解析了其优良等位变异Tn1a+272 bp参与调控分蘖及土壤钾适应性的调控机理，为水稻品种的遗传改良提供了优异的基因资源。

Tn1a+272 bp提高了水稻对低钾的适应性

中国农业大学农学院已毕业博士生杨涛和马小倩为论文第一作者，中国农业大学农学院张战营副教授和中国农业大学农学院/海南大学三亚南繁研究院/中国农业大学三亚研究院张洪亮教授为论文的通讯作者。贵州大学方中明教授和云南大学胡凤益教授为本研究提供了重要材料，中国农业大学李自超教授和李金杰教授在研究中给与指导。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、十四五重点研发计划和广西农科院开放课题等项目的资助。

Ma, X., Li, F., Zhang, Q., Wang, X., Guo, H., Xie, J., Zhu, X., Ullah Khan, N., Zhang, Z., Li, J., Li, Z. and Zhang, H. (2020), Genetic architecture to cause dynamic change in tiller and panicle numbers revealed by genome-wide association study and transcriptome profile in rice. Plant J., 104: 1603-1616. https://doi.org/10.1111/tpj.15023

http://doi.org/10.1111/pbi.14453