水稻作为全世界最重要的粮食作物之一，其外观品质在很大程度上决定其经济价值和消费者认可度。不断提高稻米的外观品质，满足民众日益增长的饮食需求，对发展水稻产业至关重要。粒型和垩白是影响稻米外观品质的重要因素，也是水稻品种改良的两大主要方向。尽管已经鉴定出一系列影响水稻粒型和垩白性状的基因，但这些性状的形成机制和控制网络仍有待进一步解析。
近日，湖北大学生命科学学院袁文雅/李燕团队在The Crop Journal在线发表了题为“PDIL2-3encoding a protein disulfide isomerase-like enzyme is essential for grain yield and appearance qualityin rice (Oryza sativa L.)”的研究论文。该研究成功克隆了能同时影响稻米粒型和垩白品质的关键基因PDIL2-3，并初步阐明了其通过调控颖壳细胞发育和胚乳储藏物质的积累，最终影响种子粒形及垩白形成的分子机制。
PDIL2-3编码一种定位于内质网的蛋白质二硫键异构酶。PDIL2-3在幼穗和胚乳中表达量较高，在营养器官、穗以及胚乳中也有表达。研究发现，与野生型相比，基因编辑突变体PDIL2-3-cri的籽粒变长变宽，千粒重也显著上升（图1）。而PDIL2-3超表达植株PDIL2-3-OE的表型则与之相反，说明PDIL2-3是一个水稻籽粒大小的负调控因子。一般认为，水稻籽粒的形态主要由颖壳大小决定。为探索PDIL2-3调控籽粒大小的细胞学基础，研究者分别采用电镜扫描、石蜡切片和流式细胞仪技术对野生型和PDIL2-3转基因植株籽粒的颖壳进行观察。结果证实，PDIL2-3分别通过负调控颖壳纵向细胞的分裂和横向细胞的延伸，调控粒长和粒宽。进一步分析表明，PDIL2‐3通过影响水稻细胞周期相关基因的表达来调控颖壳大小，进而决定水稻籽粒形态。
图1野生型和PDIL2-3转基因株系颖壳细胞的显微观察和分析。
与此同时，该研究发现PDIL2-3还参与稻米垩白形成的调控过程。PDIL2-3-cri胚乳淀粉颗粒形态异常，籽粒垩白度和垩白率显著上升；而PDIL2-3-OE胚乳的淀粉粒形状规则、排列致密，垩白率和垩白度显著低于野生型。胚乳内容物检测结果显示，PDIL2-3-cri谷粒的直链淀粉含量减少，总淀粉含量无变化，总蛋白质含量增加16.7%-19.8%（图2）。进一步分析表明，PDIL2-3-cri突变体胚乳内淀粉合成基因表达降低，淀粉分解和蛋白质合成基因表达升高。以上结果表明，PDIL2-3通过影响胚乳代谢基因的表达参与调节水稻胚乳储藏物质的积累。
图2野生型和PDIL2-3转基因株系籽粒垩白的形态分析与统计
综上所述，研究人员成功鉴定出一个在水稻穗发育和灌浆期高表达的基因PDIL2-3，该基因通过影响细胞分裂/扩增和储存物质的积累，从而在水稻粒型和品质方面发挥关键作用。这些研究结果不仅有助于理解水稻粒型和垩白产生机制，同时为我国高产优质水稻分子设计育种提供了宝贵的基因资源和理论支撑，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
作者和基金项目
湖北大学生命科学学院袁文雅教授和李燕副教授为该文通信作者，硕士研究生郭雪莲，宋佳怡和徐坤为第一作者。该研究得到国家自然科学基金项目(32472141, 32101746, 32102231)和湖北省自然科学基金项目(JCZRLH202500540, 2021CFB033, 2022CFB393)的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.02.011
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