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http://doi.org/10.1111/nph.20175
研究内容
中国科学院植物研究所漆小泉研究团队近期发表在New Phytologist上的研究发现了稻属OSC3和OSC9的祖先基因分别编码羽扇豆醇合酶和禾谷绒毡醇合酶。OsOSC10编码木栓酮合酶，它能催化底物2,3-氧化鲨烯生成木栓酮。通过基因编辑技术创制OsOSC10基因突变体和过表达植株发现，OsOSC10的表达量与水稻籽粒大小密切相关，这是继禾谷绒毡醇合酶之后在水稻中发现的又一具有重要生物学功能的三萜环化酶。该研究为理解稻属OSC家族的生物学功能和产物多样性提供了新的见解。
研究背景
2,3-氧化鲨烯环化酶（OSCs）是三萜类化合物合成途径中的关键酶。在水稻粳稻品种中花11基因组中共有12个OSCs基因（OsOSC1-OsOSC12）。漆小泉研究团队的前期研究揭示，OsOSC6的催化产物为β-amyrin和α-amyrin（Sun et al., 2013）；粳稻品种中OsOSC7（OsOSC7j）的催化产物为帕克醇；而籼稻品种中OsOSC7（OsOSC7i）的催化产物为籼稻醇（Xue et al., 2018a）；OsOSC11的催化产物为异乔木萜醇（Xue et al., 2012）；OsOSC12基因编码禾谷绒毡醇合酶，该基因在水稻花粉发育中发挥着重要的作用（Xue et al., 2018b）。然而，迄今为止，关于OsOSC1、OsOSC3、OsOSC4、OsOSC9和OsOSC10的具体功能尚属未知。
研究结果
1 稻属中OSC基因注释
以水稻品种中花11（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Zhonghua11，ZH11）中OsOSC1-12基因的编码序列为诱饵序列，通过全基因组比对获得了63个稻属品种中候选OSC基因序列。然后通过人工注释成功鉴定了723条OSC基因序列。共线性分析发现，OSC1-OSC4均位于水稻第2号染色体；OSC7-OSC11均位于水稻第11号染色体。在大多数水稻品种中OSC6位于6号染色体上，而在N22、非洲栽培稻（O. glaberrima）、O. glumipatula、长雄野生稻（O. longistaminata）和南方野生稻（O. meridionalis）中OSC6基因有两个拷贝，其中一个拷贝位于第6号染色体上，而另一个拷贝位于第5号染色体上（图1）。此外，除O. brachyantha中OSC12所在共线性区段存在倒位现象外，其他OSC基因在共线性区间的排列位置基本一致（图1），说明在稻属演化过程中，OSC基因的数目和位置相对保守，没有发生显著的重排或丢失。
图1 稻属中OSC基因共线性分析
2 OSC1、OSC3、OSC4、OSC9和OSC10催化功能分析
为了探究OSC1、OSC3、OSC4和OSC9的催化功能，从具有完整基因编码序列的水稻品种中挑选了代表性的基因序列进行合成。酵母异源表达分析发现，所选水稻品种中OSC1、3、4和9不能以2,3-氧化鲨烯为底物生成三萜骨架类化合物。由于这些基因在所选水稻品种中具有完整的编码序列，但其编码蛋白却不能催化2,3-氧化鲨烯生成三萜骨架类化合物，推测在稻属演化过程中这些基因的功能可能丢失了，为此研究人员通过重构相关基因的祖先序列，并经酵母异源表达分析发现，OSC3和OSC9的祖先基因分别编码羽扇豆醇合酶和禾谷绒毡醇合酶（图2 a-d）。此外，通过在酵母中表达OsOSC10基因发现，OsOSC10的催化产物为木栓酮（图2 e&f）。
图2 ancOSC3、ancOSC9和OsOSC10催化功能分析
3 稻属中OSC基因进化分析
稻属中OSC基因主要聚为3个主要分支：Oryza OSC12与双子叶植物的OSC基因聚为一个分支；Oryza OSC3、OSC4、OSC6、OSC8、OSC9、OSC10和OSC11聚为一个分支；Oryza OSC1、OSC2和OSC7则聚为另一个分支。进一步分析发现，Oryza OSC2起源于原禾属植物Pharus latifolius中的Pl02g02760；Oryza OSC8起源于原禾属植物Pharus latifolius中的Pl06g02320；Oryza OSC3、OSC4、OSC11起源于原禾属植物Pharus latifolius中的Pl02g02770；Oryza OSC12起源于原禾属植物Pharus latifolius中的Pl08g16820（图3）。对于Oryza OSC1、OSC6、OSC7、OSC9和OSC10而言，虽然在禾本科基部作物原禾属植物Pharus latifolius中未找到相应的OSC基因，但在T. urartu和S. bicolor中却存在这些基因的同源基因（图3），说明Oryza OSC1、OSC6、OSC7、OSC9和OSC10可能是在禾本科植物进化过程中通过基因复制事件或其他进化过程产生的。
图3 稻属中OSC基因的进化分析
4 OsOSC10基因的生物学功能研究
OsOSC10主要在水稻籽粒内外稃中高表达（图4 a）。与野生型材料相比，转基因材料稃皮中OsOSC10基因的表达量发生了显著改变。利用GC-MS检测各个转基因材料稃皮中木栓酮含量发现，与野生型相比，突变体材料籽粒稃皮中木栓酮含量显著降低；而过表达材料籽粒稃皮中木栓酮含量显著升高（图4 b&c），意味着OsOSC10可能影响水稻籽粒发育过程。
转基因材料表型分析发现，OsOSC10过表达材料籽粒粒宽显著增加，而突变体籽粒粒宽则显著减小（图4 d&e）。扫描电镜分析发现，OsOSC10过表达材料稃皮中细胞数目显著增多，而突变体材料稃皮中细胞数目则有所减少（图4 f&g）。转录组分析发现多个脂质转运蛋白的表达量均在过表达材料中显著上升（图4 h），说明OsOSC10可能通过调节脂质转运蛋白相关基因的表达量，影响颖壳内部储藏物质的积累，从而影响细胞增殖过程，最终影响水稻籽粒的大小（图4 i）。
图4 OsOSC10影响水稻籽粒大小的机制
结论
本研究通过重构OSC基因祖先序列，成功鉴定了稻属中OSC3和OSC9祖先基因的催化产物分别为羽扇豆醇和禾谷绒毡醇。OsOSC10基因的催化产物为木栓酮，它参与了水稻籽粒发育过程（图5）。这一研究成果为深入探究稻属OSC基因的生物学功能及其产物多样性开辟了新的视角。
图5 稻属中OSC基因及其功能
期刊介绍
New Phytologist是一本国际知名期刊，专注于发表植物科学及其应用领域的杰出原创研究。该期刊由New Phytologist Foundation出版，现任主编为Alistair M. Hetherington。它始创于1902年，目前以半月刊的形式发行。期刊内容涵盖了从细胞内过程到全球环境变化的广泛主题，可分为生理学与发育、环境、进化和变革性植物生物技术等。期刊最新影响因子为8.3，5年平均影响因子为10.2，JCI引文指标为2.13，被归类为植物科学领域的Q1区顶级期刊。
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