Mol Plant | 海南大学/崖州湾国家实验室罗杰教授团队揭示稻香遗传调控机制

人类通过嗅觉受体蛋白识别香味，香米的香味通常是由一系列复杂的挥发性代谢物组成，其中2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）是已知的关键香味成分之一。为了深入探究香米香味的代谢基础和遗传调控机制，海南大学/崖州湾国家实验室罗杰教授团队在《Molecular Plant》发表了题为“Volatilome-based GWAS identifies OsWRKY19 and OsNAC021 as key regulators of rice aroma”的研究论文。

图1A proposed working model for enhancing rice aroma quality

该研究通过对204份水稻群体籽粒进行volatilome分析、香味评分和分子对接等技术手段，发现2-AP和脂肪酸衍生的挥发性代谢物（FAVs）对稻米香味的贡献极为显著（图2）。采用基因组与挥发组关联分析（vGWAS），该研究鉴定到调控2-AP含量的最显著遗传位点是OsBADH2，其次是OsAROMA1（OsWRKY19）。并且，OsWRKY19的3’端下游转座子区域的自然变异与2-AP含量具有显著相关性。通过序列比对、volatilome分析、DNA亲和纯化测序（DAP-seq）和转基因材料等多种分析方法，该研究确认了该转座子区域的自然变异导致OsAROMA1（OsWRKY19）的转录水平发生变化，进而影响了OsBADH2的转录水平，最终决定了2-AP的含量（图3）。

图2 香味物质鉴定

此外，通过vGWAS分析，该研究发现与FAVs（己醛、辛醛、2-辛烯醛和1-庚醇）含量相关的基因位点共定位在OsAROMA2（OsNAC021）上。该基因编码区的Indel与FAVs含量显著相关，并且含有高FAVs含量的单倍型在水稻群体中经历了自然选择。通过构建转基因材料，结合RNA测序（RNA-seq）和分子生物学等技术，该研究发现OsAROMA2（OsNAC021）能够直接与LOX途径的OsADH1、OsADH2和OsLOX9基因的启动子区域结合，并抑制这些基因的活性，从而负调控FAVs的积累（图4）。

图3 OsAROMA1（OsWRKY19）的定位与鉴定

对OsWRKY19和OsNAC021的转基因材料进行香味评价和农艺性状表型分析，结果显示，OsWRKY19过表达株系中2-AP含量显著增加，散发出爆米花香味，并在产量性状上表现良好；而OsNAC021的敲除株系中FAVs含量显著提高，散发出清新的香味。进一步的麻雀自由取食实验表明，与普通水稻籽粒相比，麻雀更倾向于选择高2-AP含量和高FAVs含量的香稻籽粒进行取食。这些结果为香稻品种的遗传改良和香味品质的提升提供了新的研究方向和策略（图1）。

图4 OsAROMA2（OsNAC021）的定位与鉴定

海南大学和崖州湾国家实验室罗杰教授为该论文的通讯作者，海南大学三亚南繁研究院副教授李彦，博士生苗媛媛和副教授袁弘伦为共同第一作者，已毕业硕士生黄凤坤和在读硕士生孙铭奇是重要参与人。感谢四川大学张阳教授对该工作给予了指导和帮助，感谢中国水稻所胡培松院士和邵高能副研究员提供的香稻材料。该研究得到了三亚崖州湾科技城科技专项、国家自然科学基金、海南省自然科学基金等项目资助。

论文链接：

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(24)00354-X