水稻是世界上最重要的粮食作物之一。近年来，直播稻因其在节约劳动力、提高资源利用率、简化生产等方面的优势，越来越受到欢迎。然而，许多因素限制着直播稻的发展，其中，淹没所形成的低氧胁迫是最重要的原因之一。低氧耐受性QTL的挖掘和关键基因的鉴定是了解水稻适应低氧环境遗传机制的第一步。目前，已克隆了多个影响水稻低氧萌发的重要基因（如OsTPP7、OsUGT75A、OsGF14h等）。烯醇化酶在应对非生物胁迫中发挥着重要的作用，然而，烯醇化酶相关基因在响应水稻低氧萌发中的作用机制尚不清楚。 近日，华南农业大学农学院在The Crop Journal在线发表了题为“Genome-wide association study reveals that enolase gene OsEE1 regulates coleoptile elongation in rice under anaerobic conditions”的研究论文，作者通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到与低氧条件下胚芽鞘长度（CL）相关的水稻早期胚胎发生特异性烯醇酶基因OsEE1，进一步通过转录组、代谢组及转基因表型，确认了OsEE1调控低氧条件下水稻种子的胚芽鞘伸长。
研究者对低氧处理4 d的591份水稻种质的胚芽鞘长度（coleoptile length, CL）、胚芽鞘表面积（coleoptile surface area, CSA）、胚芽鞘体积（coleoptile volume, CV）和胚芽鞘直径（coleoptile diameter, CD）进行全基因组关联分析（GWAS），共鉴定到148个非重复的SNP位点（图1），其中27个位点与前人研究共定位。GWAS结合基因表达谱鉴定到与低氧条件下CL相关的水稻早期胚胎发生特异性烯醇酶基因OsEE1。通过对OsEE1基因敲除和过表达株系的低氧表型分析发现，与野生型（WT）相比，在低氧4 d和低氧7 d处理时，ko-osee1三种纯合突变体种子的CL均显著降低，而在低氧4 d处理后OE-OsEE1过表达株系的CL却显著升高（图2C,E）。qRT-PCR分析显示，在低氧条件下，3种敲除突变体中OsEE1的表达水平较野生型均显著降低，过表达株系则显著增加（图2G），表明OsEE1正调控厌氧条件下水稻种子胚芽鞘的伸长。
图1 与低氧胚芽鞘性状相关的591份水稻种质的GWAS分析
在土壤中，10 cm水深淹没21 d后，ko-osee1-2和ko-osee1-3株系的耐淹出苗率较野生型显著降低（图2H）。农艺性状调查发现，ko-osee1-1种子的粒长显著低于WT，ko-osee1的3种纯合突变体和OE-OsEE1种子的粒宽均显著低于WT（图2D,F），OE-OsEE1株系的株高变化不显著，但ko-osee1的3种纯合突变体株系的株高较WT均明显变矮（图2I）。ko-osee1-1敲除突变体的转录组测序显示，差异表达基因主要富集在能量和碳水化合物代谢、糖酵解、氨基酸代谢和激素信号转导等通路上（图3）。代谢物检测结果表明，在低氧条件下，ko-osee1-1突变体中三羧酸循环和糖酵解途径中的关键代谢物含量较野生型明显降低（图4）。上述结果表明，OsEE1通过影响糖酵解和三羧酸循环途径来调控低氧条件下水稻种子胚芽鞘的伸长。
图2 OsEE1基因敲除突变体和过表达株系在厌氧条件下的表型分析
图3 NIP（WT）、ko-osee1-1和OE-OsEE1差异基因与糖酵解及TCA循环的关系
图4 NIP（WT）和ko-osee1-1突变体的代谢物检测
作者和基金项目
华南农业大学农学院李丹丹博士和刘开（在读博士研究生）为该文共同第一作者，农学院教师饶得花和刘洪为共同通信作者。该研究得到广东省水稻、玉米和其他品种DUS检测与数据库建设项目(H20231012)和水稻优良品种农艺经济性状分析项目(2020KJ382-05)的资助。
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