Plant Physiol | 扬州大学张韬课题组基于uORF编辑，有效创制水稻籽粒重要农艺性状改良新种质

水稻作为世界上重要的粮食作物之一，其产量和品质在确保粮食安全和促进人类健康方面发挥着关键作用。水稻粒形作为复杂的农艺性状能够直接影响水稻的产量和品质，而往往长粒和细长粒更受消费者青睐。目前，在寻找重要性状的候选基因和关键变异位点时，主要关注编码区序列变异和基因转录水平的变化。近期研究发现，非翻译区（UTR）也存在大量的遗传信号，这些区域与基因的翻译效率或mRNA稳定性密切相关。其中位于5’UTR区的上游开放阅读框（upstream open reading frame, uORF）可调控下游编码序列的翻译效率，从而影响基因表达水平。将其与基因编辑技术的结合可高效便捷地上调靶基因表达，为利用正向调控基因开展作物遗传改良提供了一种新策略。

近日，扬州大学张韬教授、刘巧泉教授及西南大学/电子科技大学张勇教授团队在Plant Physiology发表了题为“Improving rice grain shape through upstream open reading frame editing-mediated translation regulation”的研究论文，通过编辑粒形正调控重要基因OsGLW7和OsGW7的uORFs，上调mORF基因表达水平，实现水稻籽粒重要农艺性状有效改良。

该研究利用Ribo-seq数据结合生物信息学分析，针对粒形正调控重要基因GLW7和GW7，分别挖掘到了1个和2个相关的uORFs元件（图1a，图1b，图1f）。基于烟草双荧光报告系统初筛，发现GLW7-uorf1和GW7-uorf1突变（ATG突变为AAA）后显著提高了下游基因的表达（图1a，图1d，图1h），证明了Ribo-seq数据结合生物信息策略在挖掘潜在uORFs的有效性。随后，在对潜在uORFs有效性验证的基础上，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，对GLW7和GW7基因中有潜在效应的uORFs进行编辑，并通过遗传转化获得了uORF元件不同类型的突变体（图1c，图1g）。进一步分子鉴定结果显示，uORF突变能够显著提高下游GLW7和GW7基因的翻译水平，而对其转录水平没有影响（图1e，图1i，图1j）。为了评估uORF对水稻性状改良的效应，作者详细调查了籽粒和农艺性状、理化品质和外观品质等指标，结果显示，uorf突变体的粒长、长宽比和千粒重显著增加，同时GLW7-uorf突变体的理化品质和农艺性状与亲本相比有正向提升，而GW7-uorf突变体则没有明显的改变（图1k-y），说明uORF作为一种正向调控元件能够改善水稻的籽粒性状，而几乎不极端地影响其他的性状，以上结果均证明了uORF在稻米粒形改良中的有效性。该研究为在不改变基因编码序列的情况下正调控优良基因的作物改良提供了一种有效的策略，并为水稻分子改良提供了有价值的遗传资源。

图1. 基于GLW7和GW7的uORF编辑改良稻米外观品质

扬州大学杨晴晴副教授为论文第一作者，扬州大学农学院张韬教授、刘巧泉教授和西南大学生命科学学院/电子科技大学生命科学与技术学院张勇教授为该论文共同通讯作者。该研究工作得到了得到了国家自然科学基金、江苏省重点研发项目等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae557